В чем отличие кремниевого аккумулятора от обычного

Устройство автомобилей

Одним из самых важных агрегатов электрического оборудования любого автомобиля является его аккумуляторная батарея, или, как чаще называют это устройство в бытовом лексиконе — аккумулятор.
Аккумуляторная батарея (АКБ) — химический источник электрического тока, состоящий из объединения (батареи) нескольких отдельных элементов питания (аккумуляторов).
Использование в батарее нескольких аккумуляторов вместо одного позволяет увеличить суммарную емкость источника тока, а также получить бóльшую мощность электрической энергии, т. е. бóльшее напряжение или бóльшую силу тока, в зависимости от способа соединения аккумуляторов в батарею — последовательного или параллельного.

С точки зрения конструкции любая аккумуляторная батарея — это заполненная специальной жидкостью (электролитом) емкость, внутри которой располагаются электроды в виде собранных в пакеты пластин, изготовленных в зависимости от типа батареи из различных материалов, и имеющих заряды разной полярности (отрицательные и положительные).

Одинаковые внешне, все аккумуляторные батареи имеют существенные внутренние отличия, и классифицируются, в первую очередь, по составу пластин, образующих электроды аккумуляторов и виду электролита.

Из всего разнообразия аккумуляторов электрической энергии в автомобилях в качестве стартерных используются в подавляющем большинстве свинцовые аккумуляторные батареи с кислотным электролитом. Это обусловлено тем, что свинцовые аккумуляторы обладают максимальной энергоемкостью и способностью за короткий момент времени отдавать большой ток по сравнению с аналогами, в которых основу пластин составляют другие металлы, сплавы или проводники. Большой ток необходим для прокручивания коленчатого вала автомобильного двигателя при его пуске.

Из-за этих уникальных свойств свинцово-кислотных аккумуляторов разработчикам приходится мириться с тем, что серная кислота и свинец являются очень вредными веществами, способными нанести вред природе и человеку. По этой причине корпуса всех свинцовых аккумуляторов выполняются из прочной кислотостойкой пластмассы, что позволяет обеспечить максимальную безопасность во время транспортировки, эксплуатации и обслуживания. В ближайшей перспективе достойной альтернативы свинцово-кислотным аккумуляторам нет.

Современные автомобильные аккумуляторы содержат в своей конструкции свинцовые пластины с добавлением различных химических веществ и соединений. По составу этих добавок аккумуляторные батареи классифицируют на несколько типов. В качестве автономного источника тока на автомобилях наиболее широко применяются следующие типы аккумуляторов:

• Сурьмянистые (классический тип аккумуляторов) ;
• Малосурьмянистые;
• Кальциевые;
• Гибридные;
• Гелевые;
• AGM;
• Щелочные;
• Литий-ионные.

Сурьмянистые аккумуляторы

Свинцовые пластины сурьмянистых аккумуляторов содержат в составе более 5% сурьмы (Sb). Такие аккумуляторы применялись в качестве источника электроэнергии ранее перечисленных типов, поэтому сурьмянистые батареи можно считать классическими аккумуляторами. В настоящее время сурьмянистые аккумуляторы считаются устаревшим типом автомобильных источников тока, и уступили место аккумуляторам с меньшим содержанием сурьмы.

Известно, что свинец является мягким и очень пластичным металлом, поэтому в чистом виде малопригоден для использования в аккумуляторах и аккумуляторных батареях автомобилей. Добавка сурьмы в свинец позволяет увеличить прочность пластин.
Но благодаря такой добавке существенно ускоряется процесс электролиза; вода разлагается на составляющие компоненты, при этом процесс сопровождается выделением газов (кислорода и водорода) из электролита. Внешне создается впечатление, что электролит кипит, выделяя пузырьки газа.
В результате вода «выкипает», плотность электролита изменяется, а его количество в аккумуляторах батареи уменьшается, что приводит к оголению электродов. Для компенсации потери электролитом воды в аккумуляторную батарею приходится систематически доливать дистиллированную воду.

По этой причине сурьмянистые аккумуляторные часто называют обслуживаемыми, поскольку приходится довольно часто производить проверку плотности и уровня электролита, корректируя их доливкой воды. Современные типы аккумуляторных батарей, пришедшие на смену сурьмянистым, называют необслуживаемыми, несмотря на то, что в них тоже предусматриваются элементы конструкции, необходимые для обслуживания.
Тем не менее, такие батареи требуют значительно меньше внимания при эксплуатации и нуждаются в менее трудоемком уходе.

В настоящее время сурьмянистые батареи практически не используются на автомобилях. Их вытеснили другие, более прогрессивные типы аккумуляторов, имеющие улучшенный состав добавок в свинец пластин, что придает им ряд высоких качественно-эксплуатационных характеристик и свойств. Современные автомобильные аккумуляторы изготавливаются с малым содержанием сурьмы или же совсем без нее.

Тем не менее, сурьмянистые аккумуляторы ещё нередко применяются в различных стационарных установках в качестве источниках тока, где эксплуатация таких батарей сопровождается уходом со стороны квалифицированного персонала. Основное достоинство сурьмянистых батарей – их относительно невысокая стоимость, неприхотливость, а также простота обслуживания в стационарных условиях.
К сожалению, этих свойств оказалось недостаточно, чтобы сохранить лидерство в качестве автомобильного источника тока.

Малосурьмянистые аккумуляторы

Малосурьмянистые батареи имеют пластины, изготовленные из свинца без каких либо добавок, и считаются самыми простыми и дешевыми. Такие батареи довольно распространены на автомобильном рынке, преимущественно отечественном, и, в принципе, являются универсальными.

Основной причиной применения аккумуляторных пластин с малым содержанием сурьмы (меньше 5%) является стремление конструкторов уменьшить интенсивность потерь воды из электролита в результате электролизных процессов, которые начинаются при заряде аккумуляторного блока до напряжения 2 В.
Применение пластин с малым содержанием сурьмы уменьшает электролизные явления, что позволило избавиться от необходимости часто проверять и корректировать уровень электролита в батарее. Кроме того, в таких аккумуляторных батареях уровень саморазряда при хранении существенно ниже, чем в сурьмянистых АКБ.

Тем не менее, такие аккумуляторы тоже нуждаются в периодическом обслуживании, хоть и в меньшей степени, чем сурьмянистые. Некоторые потери воды из электролита имеют место, поэтому изредка требуется проверять его плотность и уровень, доливая, при необходимости, дистиллированную воду. Исходя из этого, малосурьмянистые АКБ правильнее будет отнести к малообслуживаемым, а не к необслуживаемым батареям.

К преимуществам малосурьмянистых аккумуляторных батарей можно отнести сравнительно малый саморазряд при хранении, низкую стоимость, а также их неприхотливость к электрическим параметрам бортовой сети автомобиля. Возникающие в бортовой сети перепады напряжения не оказывают существенных негативных влияний на параметры малосурьмянистой аккумуляторной батареи.
Этого нельзя сказать о более современных видах свинцово-кислотных аккумуляторов — кальциевых, AGM, гелевых, у которых в таких условиях характеристики могут сильно изменяться, причем иногда даже необратимо.

По этой причине малосурьмянистые аккумуляторные батареи лучше всего подходят для эксплуатации на автомобилях, в которых бортовая сеть не обеспечивается стабильным напряжением, в том числе, на автомобилях отечественного производства, которые еще нередко «грешат» этим недостатком.
Ну и, конечно же, цена аккумулятора – далеко не последнее требование потребителя, а малосурьмянистые АКБ являются самыми дешевыми среди свинцово-кислотных аналогов.

Кальциевые аккумуляторы

Применение сурьмы в составе аккумуляторных пластин позволяет увеличить их прочность, что для автомобильного аккумулятора немаловажно. Но, как указывалось выше, сурьма является причиной интенсивных электролизных процессов в аккумуляторе, сопровождающихся потерей воды из электролита.

Снизить это негативное явление можно не только отказом от применения сурьмы, но и использованием вместо нее более подходящего металла в решетках электродов. Подходящим для этих целей металлом оказался кальций (Са). Использование кальция вместо сурьмы позволило повысить напряжение начала электролиза воды в каждом аккумуляторе с 2 до 3,6 вольт, поэтому перезаряд для такой аккумуляторной батареи не грозит «обезвоживанием» электролита.

В конструкции кальциевых аккумуляторов применяются кальциевые пластины, при этом не имеет значения, каким зарядом будут заряжаться — отрицательным или положительным. Аккумуляторные батареи данного типа часто имеют маркировку «Ca/Ca», что обозначает, что пластины обоих полюсов содержат в своем составе кальций.

Применение кальция в составе пластин позволило значительно снизить интенсивность электролизных явлений, сопровождающихся потерями воды из электролита по сравнению с малосурьмянистыми аккумуляторами. Потери воды за весь срок службы кальциевых батарей настолько мал, что практически отпадает необходимость в проверке плотности и уровня электролита в аккумуляторах. Таким образом, кальциевые аккумуляторные батареи имеют полное право называться необслуживаемыми.

Кроме того, кальциевые аккумуляторные батареи имеют относительно низкий уровень саморазряда — почти на 70% ниже, чем у малосурьмянистых АКБ. Благодаря этому кальциевые батареи дольше сохраняют свои эксплуатационные свойства при длительном хранении.

Иногда вместе с кальцием в состав пластин в малых количествах добавляют серебро, что позволяет уменьшить внутреннее сопротивление аккумуляторов. Это положительно сказывается на энергоемкости и КПД аккумуляторной батареи.

Не лишены кальциевые аккумуляторные батареи и недостатков.

Одним из главных минусов является плохая стойкость аккумуляторов данного типа к глубокому разряду. Достаточно три-четыре раза чрезмерно разрядить батарею, как необратимо снижается уровень ее энергоемкости, т. е. существенно уменьшается количество электрической энергии, которую батарея способна накопить в процессе заряда. В таких случаях кальциевую аккумуляторную батарею, как правило, выбраковывают.
Эксплуатируя кальциевую аккумуляторную батарею необходимо помнить, что несколько полных циклов разряда могут привести ее в полную негодность, что, с учетом ее высокой стоимости, приведет к существенным затратам на приобретение нового аккумулятора.

Кроме того, кальциевые аккумуляторы весьма чувствительны к перепадам напряжения в бортовой сети автомобиля, теряя эксплуатационные качества. Приобретая для автомобиля аккумуляторную батарею такого типа, необходимо убедиться в стабильности напряжения бортовой сети, исправности регулятора напряжения и генератора.

Существенным для потребителей минусом является более высокая цена кальциевых аккумуляторов по сравнению с сурьмянистыми. Тем не менее, этот недостаток с лихвой окупается надежностью и качеством таких источников тока, а также отсутствием необходимости в уходе за электролитом. При правильной эксплуатации кальциевая АКБ будет служить долго и надежно, не требуя от владельца никаких хлопот по обслуживанию и уходу.

Обычно кальциевые аккумуляторные батареи устанавливаются на автомобили, у которых в системе электрооборудования гарантированно поддерживается стабильное напряжение, т. е. на автомобили не ниже среднего ценового диапазона.

Гибридные аккумуляторы

В гибридных аккумуляторах для изготовления электродов применяются комбинированные пластины: положительные — малосурьмянистые, отрицательные — кальциевые. Иногда в состав свинцово-кальциевых пластин гибридных батарей добавляют небольшое количество серебра. Благодаря этому удается сочетать положительные качества и свойства обоих типов описанных выше аккумуляторных батарей – малосурьмянистых и кальциевых.

В результате такой «комбинации» электролизные потери воды из электролита у гибридных батарей почти в два раза ниже, чем у малосурьмянистых аккумуляторов, однако выше, чем у кальциевых. Существенным плюсом гибридных аккумуляторных батарей является высокая устойчивость к глубоким разрядам и перезарядам. Перепады напряжения в бортовой сети автомобиля тоже не оказывают на гибридные батареи столь пагубного влияния, как, например, на кальциевые АКБ.

Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что по эксплуатационным характеристикам гибридные аккумуляторные батареи занимают нишу между малосурьмянистыми и кальциевыми аналогами.

Выбор гибридной аккумуляторной батареи для недорогих и средних по стоимости автомобилей можно назвать самым оптимальным решением. Великолепно такие батареи подойдут и для автомобилей со «стажем», как импортных, так и отечественных. По понятным причинам, решающее значение на такой выбор оказывает оптимальное соотношение «цена-качество».

На корпусах гибридных аккумуляторов обычно наносится обозначение Ca+ или Ca/Sb.

Гелевые аккумуляторы

Гелевые аккумуляторы отличаются от своих свинцово-кальциевых «собратьев» тем, что в них применяется не жидкий, а гелеобразный (киселеобразный) электролит. Это позволяет значительно уменьшить проблему текучести электролита, содержащего чрезвычайно агрессивную серную кислоту. Не секрет, что небрежное отношение к аккумулятору или к его обслуживанию может явиться причиной опасных последствий при попадании пролитого электролита на кожу или в окружающую среду. Густой гелеобразный электролит лишен опасной текучести, свойственный классическим жидкостям.

Кроме того, гель препятствует осыпанию активной массы аккумуляторных пластин, удерживая ее у поверхности электродов, избавляя конструкторов от необходимости добавлять в свинец излишнее количество добавок (сурьму, кальций), повышающих прочность пластин.
Благодаря тому, что гель менее текучий, чем жидкий электролит, гелевые батареи не боятся наклонов и качки.

Для перевода электролита в гелеобразное состояние используют, так называемую, технологию GEL (Gelled Electrolite), которая заключается в добавке к жидкому электролиту соединений кремния.

Кроме отмеченных выше достоинств гелеобразного электролита, к существенным преимуществам гелевых аккумуляторных батарей можно отнести и другие положительные свойства.

У них низкая скорость саморазряда, благодаря чему их можно хранить долгое время без критического снижения напряжения между электродами.
Гелевые аккумуляторы отдают ток одинаковой силы вплоть до полного разряда и независимо от начальной степени заряда батареи. При этом они не боятся глубокого разряда, полностью восстанавливая свойства после заряда, и могут выдержать несколько сотен циклов заряд-разряд без существенного снижения эксплуатационных качеств. Этот тип аккумуляторных батарей относится к необслуживаемым, т. е. в процессе эксплуатации не нуждаются в уходе и повышенном внимании.

Не лишены гелевые АКБ и недостатков.

К таковым относится высокая чувствительность гелевых аккумуляторов к напряжению заряда — если процесс зарядки форсировать напряжением более 14 В, можно привести батарею в полную негодность. При заряде повышенным напряжением начинаются необратимые разрушения желеобразного электролита, электролит буквально «тает» и восстановить его будет невозможно. Кроме того, высокое зарядное напряжение способно привести к вспучиванию батареи.

С учетом того, что у многих автомобилей напряжение в бортовой сети изменяется в пределах 13. 16 В, применять гелевые аккумуляторные батареи на них не рекомендовано.
По этой же причине для зарядки гелевых батарей предусматриваются специальные зарядные устройства, позволяющие осуществлять зарядку в щадящем режиме. Чтобы избежать неприятностей в виде непредвиденных расходов, заряд гелевого аккумулятора следует производить, изучив соответствующую инструкцию.

Гелевые аккумуляторы чрезвычайно чувствительны к короткому замыканию. Даже незначительное и кратковременное замыкание может полностью испортить батарею.

Существенным недостатком является чувствительность гелевого электролита к низким температурам. При значительном снижении температуры электролит еще больше густеет, что приводит к потере его качественных свойств и уменьшению реальной емкости аккумулятора.

Впрочем, сильный перегрев для гелевых АКБ тоже опасен, и может даже привести к взрыву батареи.

Высокая стоимость гелевых аккумуляторных батарей и их чувствительность к напряжению в бортовой сети являются основными причинами их редкого применения на автомобилях. Такие АКБ можно встретить лишь на дорогих авто престижных классов и на внедорожниках, которым часто приходится преодолевать неровности дороги и бездорожья.
Гелевые аккумуляторы нередко применяются в качестве источников тока на транспортных средствах, которые при движении подвержены тряске, раскачиванию и наклонам — на мотоциклах, морских судах, самолетах и т. п.

Несмотря на высокую стоимость, гелевые батареи не являются «вечными». Реальный срок службы на автомобиле может достигать 8…10 лет. При правильной эксплуатации в идеальных условиях гелевые аккумуляторные батареи могут прослужить до 12 лет.

Обычно гелевые аккумуляторы маркируются специальным знаком, в котором присутствует аббревиатура «GEL», обозначающая технологию его исполнения.

EFB аккумуляторы

EFB технология — это промежуточная ступень между классической АКБ и AGM.
Принципиальное различие EFB и AGM аккумуляторов заключается в том, что в AGM электролитом пропитаны маты из стекловолокна, то есть он практически не способен выливаться из батареи. В АКБ, выполненных по технологии EFB, жидкий электролит вместе с пластинами заключен в специальные конверты (индивидуальные емкости для каждой пластины), а не пропитан в стекловолокно.

Изначально EFB разрабатывались для системы «старт–стоп» («start-stop»), при которой двигатель автоматически глохнет и запускается манипуляцией водителем педалями тормоза и акселератора. Система «старт–стоп» в настоящее время обретает все большую актуальность и популярность, поскольку ее использование позволяет экономить топливо, снизить количество вредных выбросов и шум от работающего на холостых оборотах (во время остановок) двигателя.
Обычная свинцовая АКБ не выдерживает много стартов в течение относительно коротких поездок (например, по городу) с частыми остановками, а вот аккумуляторы EFB легко переносит такой режим. Они очень быстро заряжаются, поэтому генератор успевает компенсировать энергию, потраченную стартером при пуске двигателя.

Enhanced Flooded Battery в переводе с английского означает «улучшенная жидкозаполенная батарея». Свинцовые пластины в EFB значительно толще, чем в традиционных АКБ, что увеличивает их емкость и скорость зарядки. Каждая пластина заключена в отдельный конверт из специального микроволокна, заполненный жидким сернокислотным электролитом. Подобная мера помогает защитить поверхность пластин от сульфатации, а в случае осыпания активной массы — от короткого замыкания и преждевременного отказа аккумуляторов.

Аккумуляторы, изготовленные по технологии EFB, имеют следующие положительные свойства:

• устойчивость к глубоким разрядам, после которых EFB способны восстанавливать емкость практически до 100%, в отличие от других типов свинцовых аккумуляторных батарей, теряющих при чрезмерном разряде до 5% ресурса;
• способность работать в широком температурном диапазоне (от —50 до +60 °C);
• пониженная коррозийная активность электролита при высоких температурах;
• улучшенные показатели пускового тока, что немаловажно при частых пусках двигателя;
• практически отсутствует испарение электролита в процессе эксплуатации;
• способность переносить бόльшее количество циклов заряда-разряда без снижения эксплуатационных показателей.

Такие аккумуляторные батареи безопасны и практически не обслуживаемы. Подзаряжать их можно даже дома, поскольку электролит при этом не испаряется.

Если провести сравнение EFB и AGM аккумуляторов, как наиболее близких по конструкции, то первые отличаются следующими положительными качествами и свойствами:

• увеличенная толщина каждой отдельной пластины, что благотворно сказывается на ресурсе батареи;
• более высокая скорость накопления заряда (почти в полтора раза);
• бόльшая надежность при режимах работы двигателя в условиях частых остановок;
• меньшая стоимость (EFB примерно на треть дороже обычной свинцовой АКБ).

К числу недостатков EFB (в сравнении с AGM аккумуляторами) можно отнести меньшую отдаваемая мощность, что негативно сказывается при большом количестве потребителей электроэнергии. Кроме того, EFB не способны поддерживать технологию рекуперации энергии торможения.

AGM аккумуляторы

AGM аккумуляторные батареи являются разновидностью гелевых батарей и изготавливаются по усовершенствованной технологии. В них электролит тоже находится в гелеобразном состоянии, но, в отличие от аккумуляторов, изготовленных по технологии GEL, в AGM аккумуляторах, помимо кремниевых добавок в электролит, между пластинами располагают специальный пористый материал, выполненный из стекловолокна, дополнительно удерживающий гель и защищающий электроды от осыпания.

Аббревиатура «AGM» расшифровывается в буквальном смысле – «абсорбирующий (поглощающий) стекломатериал» (Absorbent Glass Mat). Этот тип аккумуляторов впервые начал применяться в 70-х годах прошлого века в качестве источников тока для стационарных систем бесперебойного электроснабжения. Эксплуатационные и технические характеристики гелевых аккумуляторов GEL и аккумуляторов AGM почти не отличаются.

Тем не менее, можно отметить ряд преимуществ и недостатков батарей этого типа в сравнении с гелевыми аккумуляторами.
Преимущества: меньшая стоимость, относительно низкая чувствительность к напряжению заряда, коротким замыканиям и температуре внешней среды.
AGM аккумуляторы, как и гелевые, не нуждаются в обслуживании (необслуживаемые).

Недостатки: меньшая долговечность по допустимому количеству циклов заряд-разряд (примерно в два раза), бóльшая чувствительность к глубокому разряду, более быстрый саморазряд.

Как и у гелевых аккумуляторных батарей, пластины электродов AGM изготавливаются из свинца с добавкой кальция (иногда с включением серебра).
Следует учитывать, что технические характеристики и требования к обслуживанию у разных моделей аккумуляторных батарей AGM и GEL могут существенно отличаться, поэтому следует внимательно ознакомиться с инструкцией по их эксплуатации, прежде, чем использовать по назначению.

Из-за низкой стоимости аккумуляторные батареи AGM получили более широкое применение, особенно в машинах и установках с большим периодом циклов заряда-разряда.

В обозначении аккумуляторов данного типа присутствует аббревиатура «AGM».

Щелочные аккумуляторы

В качестве аккумуляторного электролита может использоваться не только водный раствор кислоты, но и щелочной раствор. Аккумуляторы такого типа называют щелочными. В настоящее время конструкторами и разработчиками предложено множество конструкций щелочных аккумуляторов и аккумуляторных батарей, но на автомобилях они широкого применения не нашли. Тем не менее, иногда можно встретить щелочную батарею в качестве источника постоянного тока системы электрооборудования на автомобилях, поэтому особенности их конструкции, достоинства и недостатки надо знать.

На автомобилях применяются щелочные аккумуляторы двух типов: никель-кадмиевые и никель-железные. Как можно догадаться из названий, основное отличие заключается в химическом составе пластин, образующих электроды аккумуляторов.

В никель-кадмиевой батарее положительные пластины покрыты гидроксооксидом никеля NiO(OH) (он же метагидроксид никеля или гидрат окиси никеля III), отрицательные пластины — сплавом кадмия и железа.

В никель-железной батарее положительные пластины покрыты тем же составом, что и в никель-кадмиевой батарее — гидроксооксидом никеля. Отличие заключается в составе отрицательных электродов — в никель-железных аккумуляторах они изготавливаются из чистого железа (Fe).

И никель-железные, и никель-кадмиевые аккумуляторы используют в качестве электролита раствор едкого калия (КОН).

Электроды в щелочных аккумуляторных батареях выполняются в виде тончайших гофрированных пластин, которые заполняются активной массой, а затем упаковываются в «пакеты». Это позволяет существенно повысить устойчивость аккумуляторов к вибрации.

В аккумуляторах щелочного типа количество пластин в положительных и отрицательных электродах не одинаково. В никель-кадмиевом типе аккумуляторов количество положительных пластин на единицу больше количества отрицательных пластин. В щелочных аккумуляторах с никель-железными пластинами, наоборот — на одну отрицательную пластину больше.

Еще один тип щелочных аккумуляторов — серебряно-цинковый аккумулятор. Анодом в таком аккумуляторе является оксид серебра в виде спресованного порошка, катодом — смесь окиси цинка и цинковой пыли. Электролит, как и у прочих щелочных аккумуляторов — раствор химически чистого гидроксида калия плотностью 1,4 без каких-либо добавок.
Серебряно-цинковые аккумуляторы отличаются очень малым внутренним сопротивлением и большой удельной энергоёмкостью (0,15 кВт×ч/кг, 0,65 кВт×ч/дм 3 ). Одной из важнейших особенностей серебряно-цинкового аккумулятора является способность отдавать в нагрузку токи колоссальной силы (до 50 А на каждый А×ч ёмкости). Из недостатков следует отметить высокую стоимость. Применяются такие аккумуляторы в авиации, космосе, военной технике, часах и сложной бытовой технике.

Достоинства щелочных аккумуляторов

Щелочные аккумуляторные батареи обладают существенными положительными свойствами в сравнении с кислотными аккумуляторами:

Отсутствие электролиза воды в электролите.
Положительным свойством щелочных батарей является то, что в них при протекании химических реакций не расходуется электролит, или, если выразиться точнее – из электролита не «выкипает» вода в результате электролизных процессов. Поэтому в щелочных аккумуляторах можно не предусматривать излишки электролита, опасаясь его расходования, как это имеет место в кислотных аккумуляторах, где по понятным причинам приходится наливать электролит с некоторым запасом.

Сравнительно высокая удельная энергоемкость.
Удельная энергоемкость щелочных аккумуляторов выше, чем у кислотных аккумуляторов, т. е. на единицу собственной массы щелочные аккумуляторы способны накопить больше электрической энергии. Благодаря этому, при одинаковых весовых параметрах, щелочные аккумуляторы будут дольше отдавать ток, что особенно существенно при тяговом и стартерном режимах эксплуатации.

Хорошая переносимость глубоких разрядов.
Щелочная батарея может длительное время храниться в разряженном состоянии без потери эксплуатационных характеристик, чего нельзя сказать про кислотные аккумуляторные батареи.

Хорошая переносимость переразрядов.
Щелочные батареи относительно легко переносят перезаряд, губительно сказывающийся, например, на гелевых аккумуляторах.

Сравнительная стойкость к низким температурам.
Щелочные аккумуляторы стабильнее работают в условиях низких температур, обеспечивая относительно надежный запуск двигателей в зимнее время.

Относительно низкий саморазряд.
Интенсивность саморазряда щелочных аккумуляторов ниже, чем у кислотных, что тоже немаловажно.

Относительная безопасность и экологичность.
Щелочные аккумуляторные батареи менее опасны и более экологичны, чем их кислотные аналоги, поскольку выделяют меньше вредных веществ в окружающую среду при работе или при утечке электролита.

Недостатки щелочных аккумуляторов

Однако у щелочных аккумуляторных батарей имеются и недостатки в сравнении с аккумуляторами, использующими в качестве электролита водный раствор серной кислоты:

Сравнительно низкое напряжение между электродами.
Щелочные аккумуляторы выдают напряжение меньше, чем кислотные, из-за чего приходится объединять в батарею большее количество аккумуляторов для достижения нужного напряжения. По этой причине, при одинаковом напряжении, габариты кислотного аккумулятора будут меньше габаритов щелочного аккумулятора.

Щелочные аккумуляторы «страдают» так называемым «эффектом памяти» . Это неприятное свойство аккумуляторов некоторых типов заключается в том, что при разряде аккумулятора до определенного уровня он «запоминает» предел, до которого был разряжен, и в следующий раз, при очередной разрядке, отдает энергию лишь до порога, который запомнил при последнем разряде. Таким образом, эффект памяти является серьезным недостатком, способным существенно уменьшить реальную емкость аккумулятора, даже если он вполне исправен.
Причиной проявления эффекта памяти является укрупнение кристаллических образований активного вещества аккумулятора и, как следствие, уменьшение площади активной поверхности его рабочего вещества.

Стоимость.
Щелочные батареи значительно дороже кислотных.

Область применения и перспективы

Щелочные батареи в настоящее время используются чаще в качестве тяговых аккумуляторов, чем стартерных, например, в электропогрузчиках, электрокарах и т. п. Из-за повышенных габаритов стартерные щелочные АКБ используются лишь на ограниченном количестве грузовых автомобилей. Что касается использования щелочных аккумуляторных батарей на легковых автомобилях – в настоящее время они не способны составить достойную конкуренцию свинцово-кислотным аккумуляторным батареям. Что будет дальше – покажет будущее.
В любом случае, усовершенствование конструкции щелочных аккумуляторов – направление перспективное, и разработки ведутся.

Литий-ионные аккумуляторы

На сегодняшний день литий-ионные аккумуляторы — самый популярный тип аккумуляторов для бытовых устройств. Пионером в разработке и применении таких аккумуляторов является знаменитая японская корпорация Sony (первые литий-ионные батареи были испытаны в 1991 г.).
Литий-ионные аккумуляторы (Li-ion) применяются в сотовых телефонах, цифровых фото- и видеокамерах, ноутбуках и электромобилях.
Несмотря на то, что бытовая техника и электромобили далеки по назначению и конструкции от автомобилей, оборудованных двигателями внутреннего сгорания с соответствующей системой электрооборудования, литий-ионные аккумуляторные батареи на сегодняшний день считаются наиболее перспективными для использования в качестве автомобильного источника электрического тока.

Как и другие источники тока, преобразующие химические процессы в электрическую энергию, литий-ионный аккумулятор состоит из электродов, собранных в пакеты и разделённых пропитанными электролитом пористыми сепараторами. Катодный материал обычно выполняется на алюминиевой фольге, а анодный — на медной фольге. Пакеты электродов размещены в герметичном корпусе, выводы отрицательных и положительных электродов подсоединены к клеммам-токосъёмникам.
Поскольку литий-ионные аккумуляторы весьма чувствительны к перепадам температуры и зарядного тока, корпус обычно оснащается предохранительным клапаном, сбрасывающим внутреннее давление в аварийных ситуациях.
Для обслуживания литий-ионных аккумуляторов применяются специальные устройства заряда-разряда.

Носителями электрического тока в аккумуляторах такого типа являются положительно заряженные ионы лития. Они способны внедряться (интеркалироваться) в кристаллическую решётку других материалов (например, в графит, окислы и соли металлов) с образованием химической связи, например: в графит с образованием LiC₆, оксиды (LiMnO₂) и соли (LiMnRON) металлов.

Литий-ионные аккумуляторы различаются по типу используемого катодного материала.
Первоначально в качестве отрицательных пластин применялся металлический литий, затем — каменноугольный кокс. В дальнейшем стал применяться графит. Применение оксидов кобальта позволяет аккумуляторам работать на значительно более низких температурах, повышает количество циклов разряда/заряда одного аккумулятора. Распространение литий-феррум-фосфатных аккумуляторов обусловлено их относительно низкой стоимостью.
В настоящее время в массовом производстве литий-ионных аккумуляторов используются следующие типы катодных материалов:

• кобальтат лития LiCoO₂ и твёрдые растворы на основе изоструктурного ему никелата лития;
• литий-марганцевая шпинель LiMn₂O₄;
• литий-феррофосфат LiFePO₄.

Важнейшими достоинствами литий-ионных аккумуляторов являются:

• Высокая удельная емкость (емкость на единицу массы).
• Выдаваемое напряжение выше, чем у всех рассмотренных выше аккумуляторов — один элемент питания способен выдавать около 4 вольт.
  Для примера: напряжение одного элемента классической аккумуляторной батареи — примерно 2 вольта.
• Низкий уровень саморазряда.
• Литий-ионные аккумуляторы не подвержены пагубному влиянию «эффекта памяти».
• Литий-ионные аккумуляторы не нуждаются в специальном периодическом обслуживании, т. е. относятся к необслуживаемым аккумуляторам.

Перечисленные положительные качества литий-ионных аккумуляторов делают их наиболее привлекательными для использования в качестве источника энергии электромобилей.

Тем не менее, присущие литий-ионным аккумуляторным батареям недостатки не позволяют в настоящее время массово использовать их вместо применяющихся сурьмянистых, кальциевых, гелевых и других типов батарей.
К таковым относятся:

Высокая чувствительность к температуре окружающей среды.
При отрицательных температурах резко снижается способность литий-ионных аккумуляторов отдавать энергию. Это одна из главных проблем, над решением которой в настоящее время трудятся многочисленные конструкторы и разработчики во всем техническом мире.

Литий-ионные аккумуляторы крайне чувствительны к глубоким разрядам и высокому напряжению заряда.
Из-за превышения зарядного напряжения литий-ионный аккумулятор может загореться, поэтому в корпус батареи часто встраивают контроллер заряда аккумуляторов, который обеспечивает защиту от превышения напряжения заряда. Кроме того, контроллер может следить за температурой аккумуляторов, отключая его при перегреве во время зарядки, ограничивать глубину разряда и ток потребления.
Но такой защитой снабжаются далеко не все литий-ионные аккумуляторы; многие производители в борьбе за сбыт могут ее игнорировать, обеспечивая тем самым снижение себестоимости и низкую цену на рынке. При покупке литий-ионных аккумуляторов необходимо учитывать и этот фактор.

Число циклов заряда-разряда, которые способна вынести такая батарея без потери эксплуатационных характеристик и свойств тоже пока невелико – не более 600 циклов.

Литий-ионные аккумуляторы с течением времени теряют способность накапливать энергию – каждый год хранения батарея теряет до 10 % первоначальной емкости, особенно если аккумуляторы хранятся при положительных температурах.

Недостаточная мощность для использования в качестве стартерной батареи. Силы тока, выдаваемой литий-ионным элементом, хватает для питания электронных приборов, но недостаточно для пуска двигателя.

Большую роль в долговечности и исправной работе литий-ионного аккумулятора играет его правильная эксплуатация. Чтобы продлить срок службы батареи необходимо придерживаться следующих правил:

• использовать для зарядки только специальные зарядные устройства литий-ионных аккумуляторов;
• не допускать глубокого разряда литий-ионной батареи;
• не заряжать аккумуляторную батарею вблизи источников тепла.

Не так давно был разработан и уже использован на практике более совершенный тип литий-ионного аккумулятора — литий-полимерный аккумулятор (Li-pol или Li-polymer). В качестве электролита в нем используется полимерный материал с включениями гелеобразного литий-проводящего наполнителя.
Используемые в мобильных телефонах и цифровой технике литий-полимерные аккумуляторы не способны отдавать большой ток, но существуют специальные силовые литий-полимерные аккумуляторы, которые способны отдавать ток в десятки раз превышающий численное значение ёмкости.

Тем не менее, современные литий-ионные аккумуляторы и аккумуляторные батареи пока еще далеки до совершенства, соответствующего требованиям к подобным источникам электроэнергии. По этим причинам в настоящее время такие батареи используются, преимущественно, для обеспечения питанием различной мобильной электроники и измерительных приборов. Если разработчикам удастся избавить литий-ионные аккумуляторы от описанных выше недостатков, они с успехом заменят свинцово-кислотные аккумуляторные батареи, вытеснив их с лидирующих позиций.

Аккумуляторы будущего

Работы по совершенствованию видов аккумуляторных батарей ведутся в следующих основных направлениях:

Аккумуляторы будущего: перспективные технологии накопления и хранения энергии

Даже Томас Эдисон был разочарован проблемой хранения энергии. В интервью для прессы в 1883 году Эдисон пожаловался, что ему не удалось создать аккумулятор, который держал бы заряд достаточно долго, чтобы его можно было использовать в электромобиле. Он продолжал свои поиски в течение следующих десятилетий, но без особого успеха.

Хотя со времен Эдисона был достигнут значительный прогресс в производстве аккумуляторов, их производительность по-прежнему разочаровывает. Как считают эксперты, из литий-ионной технологии, разработанной в 1990-х годах, выжать гораздо больше уже нельзя.

С ростом числа устройств и транспортных средств, зависящих от электричества, возникает потребность в батареях с еще большей емкостью и более коротким временем зарядки. Важную роль также играет цена и общий вес аккумуляторной батареи.

Больше кремния или металла

Различные новые типы аккумуляторных батарей были разработаны для замены литий-ионных батарей в течение длительного времени. В последнее время наиболее перспективными, безопасными, эффективными и емкими считаются полупроводниковые решения с использованием твердого электролита.

Уже существуют передовые конструкции, сочетающие известную технологию с новой, например, батареи Джина Бердичевского от Sila Nanotechnologies, основанные на традиционной литий-ионной технологии с постепенным введением кремния. Они будут использоваться электрических BMW и Daimler в 2025 году, обеспечив как минимум 20-процентный скачок плотности энергии.

Sila Nanotechnologies планирует построить завод по производству аккумуляторов мощностью, в три раза превышающей мощность Gigafactory Илона Маска в Неваде, и произвести первый коммерческий кремниевый анод.

Основатели Sila Nanotechnologies — справа Гена Бердичевский

Известный концерн GM объявил, что в середине десятилетия у него также появится улучшенная батарея для электромобилей с теми же параметрами, что и Sila.

Volkswagen, еще один крупный автомобильный игрок, поддерживает технологию литий-металлических аккумуляторов QuantumScape. Компания обещает выпустить коммерческую версию этих аккумуляторов в 2024 году.

Solid Power, еще один стартап, разрабатывающий литий-металлические аноды, планирует начать производство своих аккумуляторов в 2026 году.

Всем придется столкнуться с Tesla, которая говорит, что комплексная трансформация его аккумуляторов будет готова к 2023 году.

Японцы также интенсивно работают над новым типом аккумуляторов. Дальше всех продвинулся стартап 3Dom, основанный Киёси Канамурой, профессором Токийского столичного университета.

В настоящее время существует два ведущих направления исследований — аноды, изготовленные в основном из кремния, и конструкции с использованием чистого металлического лития. Ученые рассчитывают, что они повысят плотность энергии в аккумуляторе, снизив тем самым его цену и увеличив запас хода после одной зарядки.

В современной доминирующей технике графитовые аноды сохраняют небольшое количество лития. С физической точки зрения шесть атомов углерода хранят один атом лития, который является энергоносителем батареи — чем больше лития, тем больше энергии. Атом кремния может хранить в среднем до 4,4 атомов лития. Использование чистого металлического лития также может хранить больше энергии.

До сих пор оба этих материала не использовались в батареях, потому что кремний сильно расширяется, а металлический литий может вызвать короткое замыкание батареи и вызвать пожар. Однако Sila, QuantumScape и Solid Power утверждают, что преодолели эти проблемы.

До сих пор единственные коммерческие батареи, содержащие кремний, такие как батареи, производимые Panasonic для Tesla, содержат около 5% кремния.

Гена Бердичевский объявляет, что аноды Sila будут составлять до 50 процентов в потребительских устройствах.

QuantumScape сообщает, что его литий-металлическая батарея выдерживает 800 циклов при комнатной температуре и может быть полностью заряжена менее чем за 15 минут.

Solid Power объявила в декабре, что она достигнет плотности энергии 330 ватт-часов на килограмм в своих элементах, что превышает любой известный коммерческий литий-ионный аккумулятор. Задача, которую полностью не решает не только Solid, — сохранение параметров при различных температурах, характерных для условий работы от прохладных до горячих.

Инновации от хлора до квантов

Конечно, есть и другие пути, по которым исследователи идут в направлении улучшения аккумуляторов. Недавно средства массовой информации сообщили, среди прочего, что стало возможным построить новые перезаряжаемые хлорно-щелочные батареи. Они имеют в шесть раз больше емкость чем обычные аккумуляторы в наших телефонах и ноутбуках.

К сожалению, несмотря на неплохие показатели в хранении и высвобождении электрического заряда, по сравнению со многими его коллегами из таблицы Менделеева, хлор любит быстро реагировать и слишком уж нестабилен. Поэтому он рассматривается в контексте не перезаряжаемых, а одноразовых батарей.

Однако недавно исследователи из Стэнфордского университета обнаружили, что в некоторых процессах он стабилен даже в батареях. А китайцы из Национального университета Чунг Ченг разработали пористый углеродный материал, контролирующий конверсию хлора.

Когда аккумулятор заряжается, хлорид натрия превращается в хлор (Na/Cl2). Натрий осаждается, а хлор остается в порах угольного электрода. Когда батарея разряжена, хлор имеет возможность соединиться только с молекулами натрия, что и происходит. Это восстанавливает хлорид натрия и делает батарею перезаряжаемой. Эти процессы повторяемы и очень эффективны.

Ученым удалось сконструировать прототип, который достигает емкости 1200 мАч/г положительного электрода при 200 циклах заряда/разряда. Обычно используемые литий-ионные аккумуляторы могут содержать только 200 мАч/г положительного электрода.

Японская компания Azul Energy применила несколько иной подход, чем другие, к проблеме увеличения емкости при миниатюризации батарей. Стартап под руководством Хироси Ябу, профессора Университета Тохоку, работает над новыми катализаторами для использования в батареях. Исследования сосредоточены на использовании воздуха для этой цели, что, как ожидается, увеличит плотность хранимой энергии от 3 до 10 раз.

Тем временем Connexx Systems в Сейки недалеко от Киото работает над подключением батареи к водородному топливному элементу. Батарея производит водород из порошка железа и воды и подает его в топливный элемент.

Прототипы позволили добиться в пять раз большей эффективности, чем литий-ионные батареи, при низких производственных затратах. Однако устройство тяжелое, что ограничивает его использование стационарными устройствами.

Есть идеи хранения энергии, выходящие за пределы мира клеток. Некоторые исследователи хотят, например, использовать свойства суперконденсаторов для разработки недорогого и экологически чистого решения.

Ученые из Австралийского технологического университета в Квинсленде в сотрудничестве с индийским IIT Jammu и немецким TU Munich разработали устройство хранения энергии на основе суперконденсатора, которое обеспечивает плотность энергии, аналогичную плотности никель-металлогидридных (NiMH) аккумуляторов.

В отличие от литий-ионных аккумуляторов, суперконденсаторы накапливают энергию статически — они заряжаются и разряжаются гораздо быстрее, не разрушая внутреннюю структуру. В результате они имеют очень высокую удельную мощность, хотя и намного ниже, чем их химические аналоги.

Разработанный прототип имеет отрицательный электрод конденсатора на основе карбида титана и положительный электрод из графена. Команда описывает его как гибридный конденсатор с зарядной емкостью (плотность мощности, Вт/кг) примерно в десять раз большей, чем у литиевых батарей, и сравнимой с никель-металлогидридными батареями.

Протестированное устройство показало плотность энергии до 73 Втч/кг — около 28%, что предлагают сегодняшние современные аккумуляторы, при этом удельная мощность возросла до 1600 Вт/кг — намного больше тех 250-340 Вт/кг, которые могут предложить современные литиевые аккумуляторы.

Однако в новом решении есть одна загвоздка. Чтобы зарядить такое устройство быстрее, чем традиционные аккумуляторы, потребуется высокотехнологичная инфраструктура, которая в настоящее время недоступна.

Например, ученые, ищущие альтернативы в области клеточных технологий и хранения энергии, углубляются в квантовый мир. Идея создания квантовой батареи нанометровых размеров возникла у ученых из канадских университетов, Университета Альберты и Торонто.

Работа квантовых батарей основана на совершенно иных принципах, чем обычные. Наноструктуры заставят электроны поглощать фотоны, накапливая энергию и высвобождая ее в квантовых процессах. Квантовые ячейки должны быть полностью изолированы от окружающей среды, в том числе и от света, чтобы не возникала декогеренция. Пока они существуют только в теории.

Безопасность так же важна, как и производительность

Помимо увеличения емкости, плотности и скорости зарядки элементов, перед учеными и исследовательскими центрами стоят и другие задачи. Пока на рынке доминируют литий-ионные аккумуляторы и их безопасность здесь и сейчас является серьезной проблемой. Уже хорошо известно, что при определенных обстоятельствах они представляют опасность взрыва и возгорания.

Корейским ученым из Корейского института науки и технологий (KIST) под руководством Джуна Ки Ли удалось подавить рост дендритов, разветвленных кристаллов, вызывающих возгорание аккумуляторов электромобилей, путем создания защитных полупроводниковых пассивирующих слоев на поверхности литиевых электродов.

Чтобы предотвратить образование дендритов, исследовательская группа подвергла фуллерен (С60) воздействию плазмы, что привело к образованию полупроводящих пассивирующих углеродных слоев между литиевым электродом и электролитом.

Полупроводящие углеродные пассивирующие слои пропускают ионы лития, блокируя электроны благодаря образованию барьеров Шоттки. Предотвращение взаимодействия электронов и ионов лития на поверхности электрода и внутри тормозит образование кристаллов и рост дендритов.

Недавно разработанные электроды показали заметно повышенную стабильность, при этом рост литиевых дендритов подавлялся до 1200 циклов. Кроме того, при использовании катода из оксида лития-кобальта (LiCoO2) в качестве добавки к разработанному электроду после 500 циклов сохраняется около 81 процента. начальная емкость батареи, улучшение около 60% по сравнению с обычными литиевыми электродами.

Новый защитный барьер, значительно увеличивающий срок службы и безопасность литиевых батарей, также был разработан японскими учеными из Института передовых наук и технологий (JAIST).

В доступных на рынке батареях используются графитовые аноды, для которых также требуется связующий материал, иначе графит просто разрушится внутри батареи.

В настоящее время в качестве связующего материала используется поливинилиденфторид (ПВДФ). Однако его производительность не самая лучшая. Всего после пятисот циклов зарядки и разрядки емкость элементов PVDF падает до 65% от исходного значения.

Как сообщает EurekaAlert, команда JAIST обнаружила новый связующий материал под названием сополимер бис-иминоаценаэфтинохинон-парафенилен, который позволяет аккумулятору сохранять емкость в 95% на протяжении более 1700 циклов заряда-разряда.

Сила, зачарованная в бетоне

В последнее время технология материалов все активнее занимается поиском эффективных и дешевых решений для хранения энергии.

Например, ученые из Ланкастерского университета обнаружили кристаллический материал, который может не только улавливать солнечную энергию в течение нескольких месяцев при комнатной температуре, а затем по требованию отдавать ее в виде тепла. Это может быть особенно полезно в районах, где много солнечного света в летние месяцы, но недостаточно света в зимние месяцы.

Этот трюк проделывает материал на основе «металлоорганических каркасов» (МОК), пористые свойства которого позволяют создавать композиционные материалы за счет включения в их структуры других малых молекул.

При этом туда помещаются молекулы азобензола (сильные поглотители света), которые могут менять свою форму под воздействием света или тепла.

Эти специальные молекулы действуют как фотопереключатели — своего рода «молекулярная машина», которая меняет форму при воздействии внешнего раздражителя, такого как свет или тепло.

Согласно исследованиям, этот процесс накапливает энергию подобно тому, как запасается потенциальная энергия в пружине.

Испытания показали, что материал способен сохранять энергию более четырех месяцев, то есть при смене времен года. Тем не менее, плотность накопленной энергии невелика, и ее необходимо улучшить, если мы хотим рассмотреть возможность применения этой технологии на практике, например, в качестве экологически чистого дополнения к отоплению домов и офисов или для защиты от обледенения окон.

Описание исследования появилось в Journal of Chemistry of Materials. Системы «структурных батарей», которые используют всю структуру, например, дома в качестве хранилища энергии, отходят от классических подходов при разработке решений для хранения энергии.

В марте 2021 года появилась информация о том, что ученые из шведских университетов Chalmers University of Technology и KTH Royal Institute of Technology улучшили характеристики такой системы в десять раз по сравнению с тем, что было известно до сих пор.

Основное применение этого типа системы накопления энергии находится в электромобилях, где батареи обычно занимают много места. Эти автомобили должны быть специально спроектированы, чтобы выдерживать вес аккумуляторов.

Что, если бы сама рама основной конструкции автомобиля содержала энергию? Чтобы создать свою структурированную батарею, исследователи поместили стеклянную «ткань» между положительным и отрицательным электродами, затем заполнили ее полимерным электролитом, а затем отверждали ее в печи.

В результате получается прочный плоский элемент батареи, который хорошо проводит электричество и выдерживает испытания на растяжение во всех направлениях.

Университет Чалмерса пишет в пресс-релизе: «Аккумулятор имеет плотность энергии 24 Втч/кг, или около 20% емкости литий-ионных аккумуляторов на рынке сегодня. Однако, так как при использовании структурированной батареи автомобиль может быть значительно легче, то ему требуется меньше энергии. Низкая плотность энергии также приводит к большей безопасности элемента. А благодаря своей жесткости 25 ГПа структурированная батарея может конкурировать со многими другими широко используемыми конструкционными материалами».

Ученые хотят заменить алюминиевую фольгу в электроде материалом из углеродного волокна и сделать сепаратор тоньше. В результате может получиться батарея, производящая 75 Втч/кг энергии и обладающая жесткостью 75 ГПа.

Одним из наиболее многообещающих потенциальных применений для этого типа элементов являются самолеты, где использование электрического двигателя затруднено из-за веса батарей.

Вместо «мертвой» массы аккумулятора мы имеем конструктивные элементы, выполняющие одновременно две функции.

Изобретатели зарисовывают в перспективе целые огромные бетонные здания, способные накапливать энергию, как гигантские батареи.

Концепции аккумуляторных батарей из цемента уже известны в мире науки. Одной из концепций может быть добавление в бетонную смесь проводящих углеродных волокон, что также увеличивает механическую прочность. Затем в смесь помещали сетку из углеродного волокна, покрытую металлом — железо в качестве анода и никель в качестве катода.

После множества экспериментов Лупин Танг и Эмма Чжан из Университета Чалмерса создали прототип со средней плотностью энергии 7 ватт-часов на квадратный метр (0,8 ватт-часов на литр объема). Плотность энергии по-прежнему низкая по сравнению с коммерческими батареями, но здания масштабные, поэтому в целом счет выглядит неплохо.

Прототип батареи на цементной основе Лупинг Танга и Эмма Чжан из Университета Чалмерса

По словам исследователей, такие батареи могли бы успешно питать светодиоды в освещении, телекоммуникационную инфраструктуру, передатчики и приемники, особенно в отдаленных районах, или обеспечивать катодную защиту от коррозии в бетонных конструкциях.

«Это также может быть система, связанная, например, с панелями солнечных электростанций для обеспечения электричеством и стать источником энергии для систем мониторинга автомагистралей или мостов, где датчики, работающие от бетонной батареи, могли бы обнаруживать трещины или коррозию», — предполагает в публикации Эмма Чжан.

Элементы строительных конструкций представляют интерес и для других исследователей. Химики Вашингтонского университета в Сент-Луисе показали, как они могут превратить обычные красные кирпичи в своего рода суперконденсатор, накапливающий энергию.

Их «умные кирпичи» покрыты проводящим полимером под названием PEDOT, состоящим из нановолокон, которые впитываются в пористую структуру кирпичей, в конечном итоге превращая весь кирпич в «ионную губку», которая проводит и хранит энергию. Описание их исследования опубликовано в журнале Nature Communications.

В рамках испытаний ученые зарядили кусок кирпича до 3 В за 10 секунд, затем на 10 минут включили зеленый светодиод, питаемый от своего кирпича.

Они считают, что стены, сделанные из этих энергоаккумулирующих кирпичей, могут хранить очень большое количество энергии. Более того, действуя как суперконденсатор, эти кирпичи можно заряжать сотни тысяч раз в час.

Кирпичи и светодиод

Строительные конструкции могут и уже могут накапливать энергию несколько иным, хотя и менее технически изощренным способом. В нескольких часах езды к югу от Цюриха, в швейцарском кантоне Тичино, находится батарея, построенная из бетонных блоков швейцарской компанией Energy Vault.

Как известно, не всегда светит солнце и не всегда дует ветер. Ни один из них не обеспечивает электричество именно тогда, когда мы потребляем его больше всего. Поскольку большие топливные элементы не являются дешевым решением, рассматриваются другие подходы.

Батарея Swiss Energy Vault делает это, укладывая бетонные блоки особым образом, что позволяет накапливать потенциальную энергию. Чем выше поднимается блок, тем больше в нем запасается потенциальной энергии. Позже аккумулятор можно разрядить, запустив двигатели крана в обратном направлении, преобразуя потенциальную энергию бетонного блока обратно в электричество.

Удивительно, но вся система, являющаяся одной из многих разновидностей гидроаккумулирующей системы, относительно эффективна. Двусторонняя система, от установки до извлечения, составляет около 85%, что примерно так же, как для (новых) литий-ионных аккумуляторов, эффективность которых достигает 90%.

Строительство бетонного хранилища энергии в Швейцарии

Обзор различных методов хранения энергии, над которыми в настоящее время разрабатываются в мире, приводит к выводу, что какая-либо одна из разработок вряд ли будет универсальным решением для всех приложений. Может оказаться, что даже когда речь идет об аккумуляторах, в будущем мы будем использовать разные типы аккумуляторов накопления и хранения энергии для разных устройств и ситуаций.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

EFB, AGM, «обычный» — какой аккумулятор взять на замену штатного?

Изначально придумали батареи с технологией AGM (Absorbent Glass Mat), в которых электролит находится не в жидком виде, а как пропитка в абсорбенте. Эти АКБ отличали высокая устойчивость к циклическим глубоким разрядам, улучшенный прием заряда и повышенные энергетические показатели — то, что нужно для дорогих машин с системой Start-stop. Однако когда Start-stop стал массово внедряться на более скромных автомобилях, у производителей появилось желание сэкономить на батареях.

Компания Exide в 2007 году предложила компромисс: улучшить конструкцию «обычных» батарей таким образом, чтобы повысить надежность их работы в старт-стопных режимах. EFB (Enhanced Flooded Battery) в переводе означает «улучшенная залитая батарея» — технология «жидких» свинцовых аккумуляторов с более совершенными техническими параметрами пришлась ко двору тем фирмам, для которых батареи AGM слишком дороги или избыточны.

Чем отличаются?

Обычная АКБ в «старт-стопном» режиме выдерживает от силы несколько месяцев, после чего требует замены. Иные производители размещают на крышке обычных батарей предупреждение: для системы Start-stop не предназначены! А вот на линейках AGM и EFB, напротив, обычно помещена пиктограмма, разрешающая такое использование.

Конструктивно батареи EFB имеют отличия от стандартных.

На примере той же Exide можно выделить следующее:

• усиленные токоотводящая решетка электродов и сепаратор, позволяющие повысить глубину разрядов;
• добавки в активную массу отрицательного электрода высокомолекулярного углеродосодержащего соединения для увеличения скорости заряда;
• специальное армирующее покрытие на поверхности положительного электрода, улучшающее работу в циклическом режиме.

Обновленная редакция европейского стандарта EN 50342–6 особо оговаривает требования к подобным батареям по вибростойкости, водопотреблению, приему заряда и числу разрядно-зарядных циклов. Однако в России действующего профильного стандарта по EFB нет, а потому отечественные батареи, вообще говоря, могут сильно отличаться от импортных.

Неудивительно, что и мнения о реальных достоинствах EFB сильно расходятся. Оптимисты полагают, что батареи EFB в чем-то даже превосходят AGM, поскольку у последних рекомбинация газов в подкапотном пространстве при больших перепадах температур не всегда устойчива, а потому их желательно размещать в багажнике. Однако основная масса потребителей считает, что EFB — это просто «обычная» батарея с жидким электролитом, которую «чуть-чуть улучшили», накрутив при этом цену.

ГДЕ ИСПОЛЬЗУЮТСЯ?

На рынке запчастей батареи с обозначением EFB прописались уверенно — их предлагают Akom, Exide, Titan, Topla, Zubr, Зверь, Медведь и многие другие. А вот с какими батареями продаются новые машины в России?

• Audi. Батареи типа EFB широко используются, особенно на моделях с поперечной компоновкой двигателя.
• BMW. Аккумуляторы EFB используются — с маркировкой EF. Примерно c 2018 года они ставятся на машины с поперечно расположенными двигателями^ BMW X1 (F48), X2 (F39), 2 Gran Coupe (F44) и другие F4x, которые не представлены на нашем рынке, а также Mini (F5x и F60). На подавляющем большинстве других BMW остаются AGM — они, хотя дороже и тяжелее, по совокупности характеристик выигрывают.
• Citroen. Автомобили, официально производимые в России либо импортируемые, не имеют системы Start-stop, а технология EFB наиболее актуальна именно для таких версий, ответили на вопрос «За рулем» в представительстве марки.
• Mazda. Используются только батареи традиционного типа — не EFB.
• Mitsubishi. Автомобили с системой Start-stop в Россию не поставляются, поэтому необходимости в батареях с данными технологиями нет.
• Porsche. На новых моделях в большинстве случае используются литиевые батареи. Если же применяется свинцово‑кислотная батарея, то это AGM.
• Renault. Батареи EFB не используются.
• Volkswagen. В настоящее время автомобили с такими батареями на российских заводах не производятся и не импортируются.
• ВАЗ. На конвейере аккумуляторные батареи типа EFB не используются.

Наше мнение

Благодарим компанию Exide и лично Р. А. Герасимова за помощь в подготовке материала.

Литий-кремниевая батарея — Lithium–silicon battery

Литий-кремний батарея является именем , используемым для подкласса лития-ионной аккумуляторной технологии , которая использует кремний основанные анодные и литиевые ионы в качестве носителей заряда. Материалы на основе кремния обычно имеют гораздо большую удельную емкость, например 3600 мАч / г для чистого кремния, по сравнению с графитом, которая ограничена максимальной теоретической емкостью 372 мАч / г для полностью литиированного состояния . Большое изменение объема кремния LiC ₆ ( приблизительно 400% на основе кристаллографических плотностей) при введении лития, наряду с высокой реакционной способностью в заряженном состоянии, является одним из основных препятствий для коммерциализации анода этого типа. Аноды коммерческих батарей могут содержать небольшое количество кремния, что немного повышает их производительность. Эти количества строго хранятся в коммерческой тайне и по состоянию на 2018 год не превышают 10% анода. Литий-кремниевые батареи включают также конфигурации ячеек , где Si , в соединениях , которые могут при низком магазине напряжения лития по реакции замещения, в том числе оксикарбида кремния , окиси кремния или нитрид кремния.

СОДЕРЖАНИЕ

История

Первые лабораторные эксперименты с литий-кремниевыми материалами состоялись в начале-середине 1970-х годов.

Композитные кремний-графитовые электроды

Впервые об анодах из кремний-углеродного композитного материала было сообщено в 2002 году компанией Yoshio. Исследования этих композитных материалов показали, что емкости являются средневзвешенными для двух концевых элементов (графита и кремния). При циклировании электронная изоляция частиц кремния имеет тенденцию происходить, когда емкость падает до емкости графитового компонента. Этот эффект был смягчен с использованием альтернативных синтетических методологий или морфологий, которые могут быть созданы, чтобы помочь поддерживать контакт с текущим сборщиком. Это было выявлено в исследованиях с участием выращенных кремниевых нанопроволок, которые химически связаны с металлическим токосъемником за счет образования сплава. Образцы производства аккумуляторов с использованием композитного электрода с кремниевой нанопроволокой и графитом были произведены компанией Amprius в 2014 году. Эта же компания утверждает, что продала несколько сотен тысяч таких аккумуляторов по состоянию на 2014 год. В 2016 году исследователи Стэнфордского университета представили метод инкапсуляции микрочастиц кремния в графеновая оболочка, которая ограничивает раздробленные частицы, а также действует как стабильный межфазный слой твердого электролита. Эти микрочастицы достигли плотности энергии 3300 мАч / г.

В 2015 году основатель Tesla Илон Маск заявил, что кремний в батареях Model S увеличил запас хода автомобиля на 6%.

По состоянию на 2018 год продукты стартапов Sila Nanotechnologies, Global Graphene Group, Enovix, Enevate, Group14 Technologies и других проходили испытания производителями аккумуляторов, автомобильными компаниями и производителями бытовой электроники. Среди клиентов Sila — BMW и Amperex Technology, поставщик аккумуляторов для таких компаний, как Apple и Samsung . BMW объявила о планах внедрить технологию Sila к 2023 году и увеличить емкость аккумуляторной батареи на 10-15%. По состоянию на 2021 год Enovix была первой компанией, которая отправила готовые кремниевые анодные батареи конечным потребителям.

Group14 Technologies запатентовала кремний-углеродный композит SCC55 ™, который обеспечивает на 50% больше объемной плотности полностью литированной энергии, чем графит, используемый в анодах обычных литий-ионных батарей. Group14 поддерживается Amperex Technology Limited, Showa Denko и SK.

22 сентября 2020 года Tesla объявила о своих планах по постепенному увеличению количества кремния в своих будущих батареях, уделяя особое внимание анодам. Подход Теслы состоит в том, чтобы заключить частицы кремния в эластичное, проницаемое для ионов покрытие. Таким образом устраняется проблема набухания кремния, что позволяет достичь желаемого увеличения емкости батареи. Ожидается, что это изменение не повлияет на общий срок службы батареи. Причина постепенного (а не внезапного) увеличения использования кремния заключается в том, чтобы обеспечить возможность тестирования и подтверждения пошаговых изменений.

В сентябре 2021 года Sila объявила, что начала поставки своего первого продукта и что он был включен в Whoop 4.0.

Удельная емкость

Анод из кристаллического кремния имеет теоретическую удельную емкость 3600 мАч / г, что примерно в десять раз больше, чем у обычно используемых графитовых анодов (ограничено 372 мАч / г). Каждый атом кремния может связывать до 3,75 атомов лития в полностью литиированном состоянии ( Li
_3,75 Si ), по сравнению с одним атомом лития на 6 атомов углерода для полностью литированного графита ( LiC
₆ ).

Удельная емкость и изменение объема для некоторых анодных материалов (даны в их литированном состоянии).

Материал анода	Удельная емкость (мАч / г)	Изменение объема
Ли	3862	—
LiC 6	372	10%
Ли 13 Sn 5	990	252%
Ли 9 Al 4	2235	604%
Ли 15 Si 4	3600	320%

Набухание кремния

Расстояние между атомами кремния в решетке увеличивается по мере того, как в нем размещаются ионы лития (литиация), достигая 320% от первоначального объема. Расширение вызывает возникновение больших анизотропных напряжений в материале электрода, разрушение и крошку кремниевого материала и отслоение от токосъемника. Прототипные литий-кремниевые батареи теряют большую часть своей емкости всего за 10 циклов заряда-разряда. Решение проблем емкости и стабильности, вызванных значительным увеличением объема при литировании, имеет решающее значение для успеха кремниевых анодов.

Поскольку свойства объемного расширения и сжатия наночастиц сильно отличаются от объемных, кремниевые наноструктуры были исследованы в качестве потенциального решения. Хотя они имеют более высокий процент поверхностных атомов, чем объемные частицы кремния, повышенную реакционную способность можно контролировать с помощью оболочки, покрытий или других методов, ограничивающих контакт поверхности с электролитом. В одном методе, идентифицированном исследователями, использовались кремниевые нанопроволоки на проводящей подложке для анода, и было обнаружено, что морфология нанопроволоки создает пути постоянного тока, чтобы помочь увеличить плотность мощности и уменьшить нарушения из-за изменения объема. Однако большое изменение объема нанопроволок все еще может создавать проблему выцветания.

Другие исследования изучали потенциал наночастиц кремния. Аноды, в которых используются кремниевые наночастицы, могут преодолеть ценовые и масштабные барьеры батарей с нанопроволокой, предлагая при этом большую механическую стабильность по сравнению с другими кремниевыми электродами. Обычно в эти аноды добавляют углерод в качестве проводящей добавки и связующего для повышения механической стабильности. Однако такая геометрия не полностью решает проблему расширения большого объема при литировании, подвергая батарею повышенному риску потери емкости из-за недоступных наночастиц после вызванного циклом растрескивания и напряжения.

Другой подход с наночастицами заключается в использовании матрицы проводящих полимеров в качестве связующего и полимерного электролита для батарей с наночастицами. В одном исследовании изучалась трехмерная проводящая сеть полимера и гидрогеля, которая покрывает и обеспечивает ионный транспорт к электрохимически активным наночастицам кремния. Каркас привел к заметному повышению стабильности электрода, сохраняя более 90% емкости после 5000 циклов. Другие методы достижения аналогичных результатов включают использование методов нанесения покрытия из суспензии, которые соответствуют применяемым в настоящее время методологиям создания электродов.

В недавнем исследовании Zhang и др. Используются двумерные ковалентно связанные гибриды кремний-углерод для уменьшения изменения объема и стабилизации емкости.

Заряженный кремний Реакционная способность

Помимо хорошо известных проблем, связанных с большим объемным расширением, например растрескиванием слоя SEI, вторая хорошо известная проблема связана с реакционной способностью заряженных материалов. Поскольку заряженный кремний является силицидом лития , его солеподобная структура построена из комбинации кремний (-4) Zintl- анионов и катионов лития. Эти силицидные анионы сильно восстановлены и демонстрируют высокую реакционную способность с компонентами электролита, которая локально компенсируется зарядом за счет восстановления растворителей. Недавняя работа Хана и др. Определила метод синтеза покрытий на месте, который устраняет окислительно-восстановительную активность поверхности и ограничивает реакции, которые могут иметь место с растворителями. Хотя это не влияет на проблемы, связанные с объемным расширением, было замечено, что покрытия на основе катиона Mg значительно увеличивают срок службы и емкость, аналогично пленкообразующей добавке фторэтиленкарбоната (FEC).

Межфазный слой твердого электролита

Другой проблемой является дестабилизация межфазного слоя твердого электролита (SEI), состоящего из разложившегося материала электролита.

Слой SEI обычно образует ионопроводящий слой, который сольватируется электролитом , что предотвращает дальнейший рост. Однако из-за набухания кремния слой SEI трескается и становится пористым. Таким образом, он может загустеть. Толстый слой SEI приводит к более высокому сопротивлению ячейки, что снижает ее эффективность.

Слой SEI на кремнии состоит из восстановленного электролита и лития. При рабочем напряжении аккумулятора электролит нестабилен и разлагается. Расход лития на формирование слоя SEI дополнительно снижает емкость аккумулятора. Поэтому ограничение роста слоя SEI имеет решающее значение для коммерческих литий-кремниевых батарей.