9 ключевых металлов и минералов в батарее электромобилей
Электромобилю надо в шесть раз больше минералов и металлов, чем бензиновому автомобилю. Основная их часть приходится на литийионный аккумулятор. Так, в среднем батарея Tesla емкостью 60 кВт⋅ч обеспечивает запас хода 330 км, а весит 385 кг. Вот что дает такую массу, по данным Visual Capitalist.
Графит
Несмотря на то что аккумуляторы называются литийионными, в их основе лежит графит.
В настоящее время в добыче графита доминирует Китай: он производит 50% мирового синтетического графита и около 70% «чешуйчатого», который требует дополнительной обработки
Часть батареи: анод
Процент от массы батареи: 28,1%
Алюминий
Алюминий производят из боксита, в числе лидеров по его добыче Австралия, Китай и Гвинея.
Аналитики прогнозируют, что потребность в алюминии вырастет на 40% к концу десятилетия и добычу придется нарастить на 33,3 млн тонн в год
Часть батареи: катод, корпус, токосъемники
Процент от массы батареи: 18,9%
Никель
Металл обеспечивает батарее емкость — значит, спрос на него в сфере электромобилей продолжит расти.
По прогнозам, он вырастет с 81 т в 2020 году до 658—1592 т в 2030-х годах. Сейчас лидеры по добыче никеля — Индонезия, Китай и Россия
Часть батареи: катод
Процент от массы батареи: 15,7%
Медь
Китай потребляет половину меди в мире и, согласно прогнозам, будет наращивать потребление в среднем на 3% в год. Мировой спрос при этом вырастет с 25 млн тонн в 2021 году до 28 млн тонн к 2026 году и 31,1 млн тонн к 2030 году.
Среди лидеров производства — Чили, Перу и Китай. Мы писали о нескольких компаниях, добывающих медь
Часть батареи: токосъемники
Процент от массы батареи: 10,8%
Сталь
Сталь используют в корпусе батареи электромобиля, чтобы защитить ее от внешних повреждений.
Лидерами по производству в 2021 году стали Китай, Индия и Япония. По прогнозам, спрос на сталь будет расти умеренными темпами — ежегодно в среднем по 2,5% до 2030 года
Часть батареи: корпус
Процент от массы батареи: 10,8%
Марганец
Около 90% марганца использует сталелитейная промышленность, и только 0,2% идет на литийионные аккумуляторы. Тем не менее спрос на него будет расти.
Марганец по химическим свойствам похож на кобальт, но производство кобальта сосредоточено в одной стране — Конго. Чтобы избежать странового риска, производители электромобилей будут диверсифицировать поставки в пользу марганца
Часть батареи: катод
Процент от массы батареи: 5,4%
Кобальт
Ожидается, что к 2030 году спрос на кобальт удвоится и составит 315 000 т. Это может повлечь перебои с поставками.
Сейчас 69% мировой добычи этого металла приходится на Конго. Страна может нарастить производство, но лишь частично покроет будущий спрос.
Другое решение: разработка катодов с низким содержанием кобальта или без его использования
Часть батареи: катод
Процент от массы батареи: 4,3%
Литий
Литий в последнее время называют «белой нефтью», ведь литийионные батареи — основа будущего энергоперехода.
Ожидается, что спрос на литий утроится к 2030 году — с 600 тысяч тонн в 2022 году до 2,4 млн тонн.
Часть батареи: катод
Процент от массы батареи: 3,2%
Железо
Железо используют в катоде литийионной батареи. Сейчас появился тренд на более дешевые литий-железо-фосфатные батареи — чтобы меньше использовать кобальт и никель. Такие батареи меньше хранят заряд, но долговечны и менее взрывоопасны.
Ожидается, что мировой спрос на железную руду удвоится и достигнет 3,5 млрд тонн в 2030 году
Часть батареи: катод
Процент от массы батареи: 2,7%
Как разобраться, куда вложить
Читайте нашу рассылку для начинающих и опытных инвесторов. Каждый понедельник рассказываем, куда вложить деньги, чтобы получить доход, и как не отдать их мошенникам
Что еще узнать об электромобилях:
Новости, которые касаются инвесторов, — в нашем телеграм-канале. Подписывайтесь, чтобы быть в курсе происходящего: @investnique.
Виктор Джин
Как считаете, в каком году вы пересядете на электромобиль?
Когда электромобиль станет лучше автомобиля т.е. никогда. Ну или когда владельцев автомобилей обложат такими ограничениями и налогами, что их эксплуатация станет нецелесообразной.
Sergey, уже сейчас EV лучше ДВС. У меня был один автомобиль на ДВС. Внедоожник. Езжу каждый день дом-работа. Иногда на отдых. 99,9% времени на автомобиле — это дом-работа-магазин. Купил EV. Сейчас дом-работа-магазин — это EV, дальняк или бездорожье — это внедорожникДвс+прицеп. У меня два автомобиля. по времени 99,9% езжу на EV, если по пробегу то наверно 95% на EV (на ДВС редкие дальняки). Стоимость 1 км на EV в 10 раз дешевле 1 км на ДВС. Продавать ДВС не собираюсь, т.к. иногда нужен дальняк. А на «короткое плечо» EV самое то.
«что батарея всегда будет весить полтонны» — это полтонны у EV в полу. центр тяжести ниже, управляемость лучше. 150 л.с. EV, со своими полтоннами, безжаластно унижают на светофорах эти ваши ДВС, даже большей мощности. седан ev 150 л.с. более динамичен, чем седан двс 180 л.с. EV — ни каких коробок, сцеплений, тормозов. управление ОДНОЙ педалью. И газ и тормоз — всего одна педаль. Динамика совсем другая. После EV нет желания сесть на ДВС.
«всегда будет очень плохо чувствовать себя при низких температурах. Физику не обманешь » — вообще по барабану как он себя чувствует. летом запас хода 240 км. зимой 200 км. Мой ежедневный пробег 70 км. Иногда 100. В редких случаях 150. А как АКБ там себя чувствует — вообще до лампочки. И без всякого обмана физики.
ps не каждый житель многоэтажки может позволить >1 авто и зарядку дома. выбирайтесь из городов.
Технологии производства автомобильных аккумуляторных батарей
На автомобили с двигателями внутреннего сгорания устанавливают свинцово-кислотные аккумуляторы. Они остаются недорогими и эффективными источниками энергии, выдающими высокие пусковые токи, что и требуется для запуска моторов. Свинец — один из самых подходящих материалов, который под действием кислоты способен отдавать свои электроны и восстанавливаться в исходное состояние. Эти свойства стали ключевыми для создания тяговых стартерных источников постоянного тока.
История создания свинцово-кислотного аккумулятора
Первый работоспособный аккумулятор из свинца и кислоты изобрел Гастон Планте — французский ученый, являющийся сотрудником лаборатории Александра Беккереля. Он состоял из пластинчатого свинца, свернутого в спираль, между листами был сепаратор из волокна, и вся эта конструкция погружалась в раствор из дистиллированной воды и 10% серной кислоты. Источник показал хорошие результаты, но у него было мало циклов заряда-разряда из-за быстрого разрушения свинцовых пластин. Требовалось повысить его плотность и стойкость к электролиту. В свинцовый сплав стали добавлять сурьму. Она значительно увеличила долговечность АКБ.
Свинцово-сурьмянистые
Вторым поколением автомобильного аккумулятора принято считать свинцово-сурьмянистые. Эти источники питания следует разделять на 2 типа:
- Сурьмянистые, в сплаве свинца содержится более 5% сурьмы. Эти батареи стали намного выносливее, но из-за большого количества примеси снизился отдаваемый ток. Срок службы таких батарей не превышает 4 лет на старых автомобилях с минимальным количеством бортовой электроники.
- Малосурьмянистые, второе поколение сурьмянистых батарей. Для производства пластин используется более чистый сплав свинца с добавлением до 5% сурьмы. Получился идеальный сплав и по энергетическим характеристикам, и по стойкости к электрохимической коррозии. Срок службы такой свинцово-кислотной батареи — до 5 лет на машинах с наименьшим количеством электрического оборудования.
Конструкция свинцово-сурьмянистых АКБ ничем не отличается от первых вариантов источников питания. Имеется пластиковый корпус, разделенный на 6 камер перегородками. В каждой нише расположена энергетическая ячейка, состоящая из положительных и отрицательных пластин, разделенных листом диэлектрика, являющегося сепаратором. Каждая из пластин представляет собой решетку из свинцово-сурьмянистого сплава, заполненная специальной пастой, представляющей собой смесь из оксида свинца и легирующей массы. Для работы батареи через пластины пропускают электрический ток, который способствует созданию кристаллической структуры в активной массе, накапливающей положительные и отрицательные заряды.
- более дешевые, чем любые другие, цена отличается почти в 2 раза по сравнению с EFB или кальциевыми;
- свинцово-кислотные батареи можно обслуживать, доливая дистиллированную воду или полностью меняя электролит.
- небольшой срок службы;
- так как есть пробки, то они менее герметичны и при зарядке выделяют вредные летучие вещества;
- больше вероятность вскипания из-за высоких токов зарядки.
Гибридные или Ca+ АКБ
Следующим витком в развитии автомобильных аккумуляторов стали гибридные модели. Они отличаются комбинированной структурой, то есть, отрицательные пластины изготовлены из свинца с кальцием, а положительные – из свинца с сурьмой. Для повышения стойкости к коррозии и улучшении проводимости в сплав вводят разные легирующие добавки. Батарея стала дольше работать, но она дороже малосурьмянистых источников питания.
- увеличилась устойчивость к глубокому разряду;
- стабильный пусковой ток;
- увеличенный срок эксплуатации до 6 лет;
- меньше испарение воды, пробки есть, но доливать воду нужно реже, чем в сурьмянистые;
- активная паста прочнее удерживается на пластинах;
- саморазряд снижен почти вдвое.
- остались пробки для обслуживания, а значит, недостаточная герметичность;
- служит гибридная батарея меньше EFB или Ca/Ca;
- более высокая стоимость по сравнению с малосурьмянистыми.
В конструкции батарей Ca+ или Hybrid используется специальный регулирующий клапан VRLA, который автоматически откроется в случае роста внутреннего давления. Введение кальция способствует снижению электролизных потерь воды, но для ее доливки все равно присутствуют пробки. Когда снизится плотность, можно долить воду до нормального уровня. Работает такой элемент питания до 5-5,5 лет без обслуживания. С обслуживанием можно продлить срок еще на 1-1,5 года.
Ca/Ca или кальциевые
Кальциевые батареи стали следующим этапом в развитии автомобильных источников постоянного тока. Общая конструкция свинцово-кислотного автомобильного аккумулятора не меняется. Имеется корпус из пластика, разделенный на 6 отсеков перегородками. В них расположены энергетические ячейки, собранные из положительной и отрицательной пластин, разделенных сепаратором. Каждая ячейка выдает напряжение 2,1 В, все 6-12,6 В. В качестве электролита используется 30% раствор серной кислоты и дистиллированной воды.
- низкий саморазряд;
- долгий срок эксплуатации — до 6-7 лет;
- стойкость к коррозии;
- защита от перезарядки, не вскипают;
- не нуждаются в обслуживании.
- цена в 1,5-2 раза выше, чем у гибридных;
- чувствительность к глубоким разрядам;
- не годятся для режима работы Старт-Стоп.
К особенностям кальциевых автомобильных батарей относится легирование кальцием пластин обеих полярностей. На самом деле, кальция в нем всего 0,07-0,1%, но эта доля имеет существенное влияние на срок службы и гидролиз. В таблице можно увидеть напряжения гидролиза в малосурьмянистых, гибридных и кальциевых батареях.
| Параметры | Кальциевые батареи | Малосурьмянистый | Гибридный |
| Тип легирования пластина -/+ | Ca/Ca | Sb/Sb | Sb/Ca |
| Начало электролиза, В | 15-16 | 12-12,5 | 14-15 |
| Обслуживание | частичное | обслуживаемый | обслуживаемый |
Аккумуляторы EFB
Еще один вид более совершенных аккумуляторных батарей. В нем по-прежнему электролит остается в жидком виде, но АКБ считают переходной от кальциевых к AGM. Отличительной чертой таких батарей являются пластины, одетые в специальный сепаратор конвертного типа.
- отсутствие сульфации пластин, так как каждый электрод имеет собственный сепаратор;
- исключено короткое замыкание;
- большой срок службы — до 7-8 лет на обычных машинах и до 5 лет на авто с системой Старт-Стоп;
- выдерживают больше циклов заряда-разряда;
- работоспособность в условиях низких температур;
- испарение воды отсутствует, нет пробок для обслуживания.
- стоит дороже, чем кальциевые батареи;
- нельзя обслуживать.
К особенностям автомобильных аккумуляторов, выполненных по технологии EFB, относится неприхотливость к зарядным токам. Если батарея высажена в ноль, то ее можно заряжать большими токами, в том числе 1С. Используемые материалы в производстве батарей не дадут ему перезарядиться или нагреться. В конструкции использованы решетки, чаще выполняемые по технологии штамповки, что обеспечивает более высокие пусковые токи и способствует применению в автомобилях с системами Старт-Стоп. Отсутствие испарения воды обеспечено специальной системой. В крышке имеется лабиринт, в который проникают газы, где они конденсируются в воду и стекают обратно в емкость. Для исключения образования сульфата и разрушения активной пасты положительные пластины снабжены пленками из полистирола, а для предотвращения разделения электролита многие производители устанавливают специальные смешивающие элементы. На корпусе таких аккумуляторов есть индикатор заряда в виде круглого глазка.
Аккумуляторы AGM
Это все тот же свинцово-кислотный аккумулятор с жидким электролитом, но между пластинами имеется стекловолоконный наполнитель. Содержащаяся в нем кислота дает надежный контакт с пластинами и стабильный ионный обмен между ними, а количество электролита вдвое меньше, чем в классической батарее. Они бывают пластинчатыми и спиральными. Второй тип часто можно встретить в США, так как это его родина. Для удаления излишков газа в конструкции также имеется защитный клапан.
- выдерживают большое количество циклов заряда/разряда;
- на 30% выносливее к глубоким разрядам;
- батареи долго способны выдавать большие токи;
- аккумуляторы можно эксплуатировать под любым углом наклона, даже в перевернутом виде;
- отсутствие испарений электролита;
- имеют долгий срок службы, до 10 лет.
- эти аккумуляторы дороже остальных;
- имеют больший вес;
- присутствует чувствительность к перезаряду.
К особенностям автомобильных аккумуляторов AGM, кроме высокого отдаваемого тока относятся также повышенные требования к напряжению зарядки. Для нормального процесса восстановления заряда нужно напряжение в диапазоне 14,1-14,4 В. Также требуется выдерживать ток заряда не более 10% от емкости источника питания. Некоторые производители указывают более точные параметры зарядки своих аккумуляторов на корпусе устройств.
GEL или гелевые
Аккумуляторы GEL стали своего рода работой над ошибками свинцово-кислотных батарей. В них вообще не используется жидкий электролит. Вместо обычного жидкого текучего состояния электролит представлен в виде геля, оксида-кремния, в который добавлен 10% кислотный раствор. Пластины по-прежнему изготовлены из литого или штампованного свинцового сплава, заполненные активной пастой из сульфата свинца. Главной отличительной чертой таких батарей является использование особо чистого свинца для изготовления электродных решеток.
- большое количество циклов заряд/разряд, до 1200;
- возможность долгого хранения без риска сульфации пластин;
- высокая надежность;
- работают до 10-12 лет;
- нет надобности в обслуживании.
- критичность к высоким напряжениям зарядки более 14,5 В;
- невозможность эксплуатировать при температуре ниже -30 градусов;
- ограниченное количество глубоких разрядов;
- непомерно высокая цена, почти вдвое по сравнению с AGM.
Аккумуляторы типа GEL выдерживают высокие рабочие токи, быстро заряжаются, но не годятся для регионов с регулярно низкими температурами. Гель быстрее замерзает, чем чистый кислотный раствор, поэтому он быстрее придет в негодность.
Литий-железо-фосфатные АКБ
Аккумуляторы LiFePO4, или литий-железо-фосфатные, появились совсем недавно. Это новый тип батарей, созданный по совершенно иной технологии. АКБ набирается на любое напряжение и токи из плоских пластинчатых элементов на 3,7 В каждый. Пластины свариваются перемычками и собираются в корпус, в котором имеются высокотоковые клеммы для цепи авто, для зарядки и диагностики. Также ставят ЖК-дисплей для отображения состояния и режимов работы.
- возможность эксплуатации при температуре до +60 градусов;
- большое число циклов заряда, до 8000;
- большой срок службы, до 15 лет;
- минимальный процент саморазрядки.
- повышенная пожароопасность, при повреждении пластины могут загореться;
- невозможность эксплуатации при температуре менее -20 градусов;
- высокая цена;
- не для каждого автомобиля подойдет один из вариантов корпусов.
Это далеко не все типы батарей. Есть также литий-ионные, литий-полимерные. Они набираются из отдельных элементов чаще стандартного типа, например, 18650. Стоят они очень дорого, но обладают высокими эксплуатационными качествами и могут выдавать стабильные пусковые и рабочие токи. Каждый тип батарей имеет свои особенности, которые следует учитывать при выборе.
Если не знаете, какой тип АКБ лучше купить, всегда можно получить квалифицированную консультацию нашего эксперта. Обращайтесь в любое время и получите полные данные по выбранным типам батарей. Предлагаем скидку 10% на покупку нового аккумулятора при сдаче старого и предлагаем услуги установки.
АКБ — что это, устройство и принцип работы аккумулятора в автомобиле
Завести двигатель невозможно без АКБ. Источник постоянного тока применяется не только для пуска мотора, но также он обеспечивает питанием всю электрику в авто. Учитывая постоянные нагрузки, он должен отвечать определенным требованиям, а они обеспечиваются благодаря соблюдению технологии производства, выбору качественных материалов и заготовок.
Объяснения понятия и назначения автомобильного аккумулятора
Существует много видов автомобильных батарей, но все они имеют схожее устройство и принцип работы. Но сначала немного истории. Впервые аккумулятор в современном понимании был представлен в 1803 году. Это был источник, состоящий из свинцовых электродов, емкости для жидкого электролита и контактных выводов. Его появление было логичным, потому что постоянно запускать мотор вручную было проблематично и очень тяжело. Далеко не каждый даже крепкий мужчина мог выдерживать подобные испытания. Появление аккумулятора повлекло за собой производство разной электрики и освещения. Современные модели не сильно отличаются от первопроходца. Опишем состав батареи малосурьмянистого типа.
Конструктивно источник постоянного тока состоит из следующих элементов:
- Пластикового корпуса. Еще недавно его производили из металла, но из-за быстрой коррозии от этого отказались. Стали применять полимерные материалы. Производится методом литья в форму под давлением. Внутри он разделен на отдельные отсеки с перегородками для энергетических ячеек. Обязательно имеется крышка, в которую вплавлены токовые клеммы. В крышке сурьмянистых, малосурьмянистых и гибридных моделей есть пробки.
- Электродных пластин. Они собраны в пары, положительная и отрицательная, образующие энергетические ячейки. Каждая такая пара выдает напряжение 2,1 В. Общее количество ячеек — 6, а суммарное напряжение на клеммах 12,6 В.
- Пластины, в свою очередь, состоят из свинцовых решеток с ячейками, в которых запечатана активная паста — губчатый свинец или сульфат свинца.
- Жидкий электролит. В него лежат пластины, среда обеспечивает транспортный коридор для заряженных ионов. Он состоит из 35% серной кислоты и 65% — дистиллированной воды.
- Пластины между собой изолированы сепараторами. Они пропускают сквозь себя только жидкость, блокируя крупные частицы.
Свинцовые сплавы для производства пластин и токовых выводов
На долговечность автомобильного аккумулятора оказывает влияние именно используемый свинцовый сплав. Чистый свинец быстро коррозирует и разрушается, поэтому применяется технология легирования. Существует много вариантов, но наиболее распространенными стали:
- Легирование сурьмой, свыше 5%. Этот металл добавлялся для улучшения защиты от разрушения, но батарея получила большой саморазряд и низкое напряжение гидролиза воды. В машинах без многочисленной электрики такие батареи работали по 5-6 лет. В современных авто не прослужат и 1 года.
- Легирование сурьмой в меньшем количестве, до 5%. Батареи стали дольше сохранять заряд, но это особо не исправило положение. Источник по-прежнему имел большой саморазряд и недостаточные токи.
- Легирование сурьмой и кальцием. Метод сделал автомобильные аккумуляторы более выносливыми. Также они стали выдавать больший ток и терять меньше заряда во время хранения. Корпус батарей по-прежнему оснащен пробками для обслуживания, но количество доливаемой воды существенно меньше. При соблюдении технологии, интенсивность ее испарения — в 12 раз меньше. Для определения типа эти батареи классифицируются по количеству воды на 4 вида.
- Легирование кальцием. Такой источник постоянного тока прослужит еще дольше и уже не содержит пробок для обслуживания. Минимальный срок службы — от 6 лет. Количество кальция в сплаве небольшое, всего 0,1%, но эффект от него большой.
Безопасность эксплуатации
Одной из главных проблем в разработке аккумуляторных батарей является герметичность корпуса, и как следствие, безопасность его эксплуатации. Были опробованы разные материалы для изготовления оболочки, но самым эффективным оказался полимер и его разновидности. Ящик для жидкого электролита и пластин делается герметичным за исключением установки клапана VRLA. Это специальное аварийное устройство, которое все же выбросит наружу в окружающую атмосферу ядовитые серные испарения. Корпуса современных батарей делаются достаточно прочными, чтобы выдержать давление свыше 2 атм, создаваемое внутренними газами во время зарядки. Если батарея обслуживаемая и в крышке есть пробки, то они оснащены кислотостойкими уплотнениями. Такие аккумуляторы следует заряжать в открытом или проветриваемом помещении.
Устройство современного аккумулятора
Современные автомобильные аккумуляторы не сильно отличаются от своих предшественников, за исключением добавления небольших деталей для улучшения эксплуатационных характеристик источника питания. В конструкцию современных батарей входят:
- Пластиковый корпус с ребрами жесткости и перегородками внутри, для разделения пространства на ячейки.
- Крышка с заливными пробками. В новых моделях они есть, но скрыты под наклейкой или панелью, так как не предназначены для вскрытия. Многие производители для увеличения эффективности своей батареи оснащают крышку специальной лабиринтной структурой. С помощью нее образующиеся испарения внутри корпуса конденсируются и превращаются обратно в жидкость.
- Защитный клапан. Он имеется не во всех моделях. Служит аварийным сбросом критического давления.
- Пара электродов, положительная и отрицательная решетки. Они имеют особую схему расположения лучей, обеспечивающую равномерный обмен заряженными электронами между пластинами.
- Сепаратор. В современных батареях используется изолятор конвертного типа, изготовленного из волокнистого стекловолокна. Если активная обмазка на пластинах начнет осыпаться, то она все равно останется контактировать с электродом и батарея продолжит работу. Использование конвертов полностью исключает короткое замыкание в ячейках.
- Пластины соединены между собой бареткой. Она формируется на этапе литься комплекта решеток. Сформированные гребенки собираются в ячейку, соединены между собой межэлементными перемычками.
- На поверхность выходят клеммы. Они бывают трех типов в зависимости от стандарта: азиатские малые, европейские и американские.
Принцип работы автомобильного аккумулятора
Работу автомобильного аккумулятора можно рассматривать двумя режимами: разряд и заряд. Также происходящую реакцию внутри корпуса батареи можно описать двумя химическими уравнениями. В первом случае диоксид свинца, серная кислота и чистый свинец вступают в реакцию и образуют сульфат свинца, воду и соль. При подаче электричества на клеммы происходит реакция восстановления свинца и его диоксида с одновременной очисткой водно-кислого раствора.
Более подробно объяснить происходящие процессы можно при помощи свойств электролитического растворения металлов. В нем положительно заряженные ионы металла, в данном случае свинца, переходят в раствор. Так как свинец легко окисляется, то он стал самым подходящим для подобной реакции. Когда же подать электричество на клеммы, свинцовые электроды восстанавливаются с образованием частичного осадка.
В идеальном случае процесс должен протекать бесследно, но из-за несовершенства сплава, снижения плотности электролита и прочих факторов раствор постепенно засоряется сульфатами. Здесь уместно вспомнить про плотность. Она показывает количество кислоты в единице объема. Например, для среднего по емкости аккумулятора она должна составлять 1,25 г/см 3 , то есть, в 1 грамме воды содержится 25% кислоты. Эта величина в зависимости от состояния заряда и температуры окружающей среды изменяется в обе стороны. По мере разряда раствор насыщается сульфатами и концентрация кислоты падает. При зарядке происходит обратный процесс и исходный состав раствора восстанавливается.
Также плотность электролита изменяется из-за испарения воды, которое возникает в результате реакции гидролиза. Это не что иное, как перезарядка, то есть, на ячейке напряжение поднимается выше номинального значения. Это возможно только в сурьмянистых и малосурьмянистых батареях, так как гидролиз начинается уже при >2,1 В. Именно поэтому в такие АКБ периодически нужно заливать дистиллированную воду.
Маркировка АКБ
Каждый автомобильный аккумулятор обладает определенной маркировкой. Разберем на примере отечественных моделей с пояснениями. Например, 6СТ-55А3, 270 (DIN), 440 (EN). В маркировке может быть разное количество элементов, но на отечественных моделях могут быть указаны:
- СТ — тип батареи, это стартерная модель.
- 55 — емкость аккумулятора в А/ч;
- 270 А (DIN) — величина пускового тока, измеренного по стандарту DIN.
В маркировке также будет указана полярность буквой L или R+, левая и правая, соответственно.
Новые типы АКБ
Постепенно на рынок выходят новые автомобильные аккумуляторы — гелевые. Их особенность заключается в консистенции электролита — желеподобная масса с оксидом кремния. Это связующее вещество, благодаря которому раствор удерживается в прямом контакте с электродами. Гелевая масса обволакивает пластины и удерживает их в таком состоянии даже в перевернутом виде, поэтому они часто устанавливаются на водный транспорт.
Также в продаже уже есть литий-ионные АКБ. Такие батареи мы привыкли видеть в мобильных телефонах, а не авто. Но время идет, и они были представлены. Преимущества понятны — если обычная батарея имеет не более 400 циклов заряд/разряд до разрушения пластин, у гелевой этот показатель увеличен до 1000 и более, а вот у литиевых он равен 1500 и больше. То есть, батарея прослужит в 4-6 раз дольше, чем классическая свинцово-кислотная. Но она более критичная к механическим повреждениям, что нужно учитывать при покупке. К тому же, она дороже более, чем в 10 раз по сравнению с гибридной на тот же ток и напряжение.
Скоро в массовом потреблении появится графен-полимерная батарея. В производстве она менее затратна по материалам, но сложна в изготовлении. Конечная, стоимость такой батареи будет в несколько раз меньше литиевой, но срок службы еще больше. Такие АКБ переживут автомобиль и будут работать дальше.
Как создают аккумуляторные батареи
Практически все современные гаджеты объединяет одна деталь — в них есть аккумуляторная батарея. И её ёмкость остаётся одним из главных критериев при выборе устройства. Мы живем в эру мобильности, и требования к аккумуляторам растут с каждым годом.
Батареи для ноутбуков (и многие другие) состоят из энергетических элементов, скомпонованных в связанные друг с другом ячейки. Ноутбуки, как и большая часть других мобильных устройств, работают на литий-ионных или литий-полимерных аккумуляторах.
Мало кто задумывается о том, как сложно создать аккумуляторную батарею, отвечающую требованиям времени. Сегодня вы узнаете, как их производят в промышленных масштабах… начиная с химических элементов.
Li-ion — литий-ионные
Широко распространённый литий-ионный аккумулятор состоит из электродов (катода из алюминиевой фольги и анода из медной), разделенных пористым сепаратором, пропитанным жидким электролитом. Пакет электродов помещен в герметичный корпус, катоды и аноды подсоединены к клеммам-токосъемникам. Корпус иногда оснащают предохранительным клапаном, сбрасывающим внутреннее давление при аварийных ситуациях или нарушениях условий эксплуатации.
Типичная литий-ионная перезаряжаемая батарея состоит из положительного электрода (зеленый), отрицательного электрода (красный) и разделяющим их слоем сепаратора (желтый). Ионы лития (Li +, синий) перемещаются от отрицательного электрода (анода) к положительному (катод). Во время зарядки происходит обратный процесс, ионы лития переносятся к аноду. Источник
Литий-ионный аккумулятор обладает высокой энергоплотностью, но быстро разряжается при использовании на морозе и может быть взрывоопасен при перезаряде выше 4,2 В. Если вы проколете литий-ионную батарею и создадите короткое замыкание, она загорится и возникнет действительно сильный огонь, который нельзя легко потушить с помощью обычного огнетушителя. Именно поэтому многие такие аккумуляторы оснащают специальной защитой.
Li-po — литий-полимерные
Литий-полимерный аккумулятор (литий-ионный полимерный аккумулятор) представляет собой усовершенствованную конструкцию литий-ионного аккумулятора. В таком аккумуляторе в качестве электролита используется не жидкость, а сухой полимерный материал (синтетический пластик). В отличие от Li-ion, Li-po безопаснее, может отдавать сильные токи и, благодаря полимерному материалу, может быть какой угодно толщины и формы.
Li-po и технологии
Ноутбук, оснащенный литий-полимерным аккумулятором, поддерживает в 3 раза больше циклов зарядки (то есть служит в 3 раза дольше), чем ноутбук со стандартным литий-ионным аккумулятором.
Эффективность энергопотребления достигается не только за счет химических свойств батареи. Если ноутбук остается подключенным к зарядке, когда аккумулятор уже полностью заряжен, это может привести к ухудшению рабочих характеристик аккумулятора и, соответственно, к сокращению срока его службы. Это может также стать причиной набухания аккумулятора из-за внутреннего накопления газов, вызванного окислением, а значит и деформированию или повреждению ноутбука. Дополнительные программные технологии позволяют установить предельный уровень заряда 60%, 80% или 100%, чтобы продлить срок службы батареи и уменьшить вероятность ее набухания.
Ноутбуки также оснащаются механизмом быстрой зарядки, с помощью которого аккумулятор заряжается за несколько десятков минут чуть более чем наполовину.
Li-po vs Li-ion
Положительные и отрицательные электроды Li-po и Li-ion имеют сходный химический состав. Основное различия между двумя видами батарей заключается в способе их компоновки. С литий-ионной технологией для оболочки можно выбрать только жесткий металлический корпус, в то время как литий-полимерная технология позволяет использовать мягкую оболочку для корпуса (пластиковая или алюминиевая фольга). При толщине до 3 мм Li-po имеет преимущество в емкости. При толщине более 3 мм Li-ion дает существенную выгоду в цене.
Существуют и другие виды аккумуляторов на основе лития: LiFePO4 — литий-железо-фосфатные, LiFeYPO4 — литий-железо-иттрий-фосфатные, и другие. Отличаются они различными добавками, улучшающими характеристики батареи. Однако в основе большей части новых экспериментов лежит всё тот же металл, пришедший на смену некогда популярным никель-кадмиевым и никель-металлгидридным аккумуляторам.
Литий
Очень легкий, очень мягкий металл серебристо-белого цвета.
Первые работы в области создания перезаряжаемого аккумулятора на основе лития были начаты в 1912 году, но до 1970-х эксперименты не выходили за пределы лабораторий из-за нестабильности лития. В 1980-х на основе технологий, разработанных в Оксфордском университете, стали появляться первые промышленные литиевые аккумуляторные батареи, которые быстро перегревались и выходили из строя. Только в 1991 году был создан аккумулятор, в котором металлический литий был заменен более безопасной ионной формой.
Литий снискал заслуженную популярность за счет своих особых свойств. Это один из самых легких металлов в периодической таблице, который действительно помогает сохранять большие объемы энергии в небольшом объеме и при незначительном весе. Однако популярность лития сегодня может привести к исчерпанию этого металла в будущем.
Добыча лития — это трудоемкий процесс даже в тех регионах, где металла много. На протяжении десятилетий коммерческое производство лития основывалось на минеральных рудных источниках, таких как сподумен, петалит и лепидолит. Однако извлечение лития из руды вдвое превышает стоимость производства из соляных растворов.
Основные залежи лития, пригодные для активной разработки, находятся в Южной Америке и Китае. На территории России больше всего лития содержится в слюде, сопровождающей месторождения редкоземельных металлов. До недавнего времени добыча лития из слюды стоила слишком дорого, но в 2017 году ученые НИТУ «МИСиС» представили установку, сделавшую добычу соединений лития из бедной руды вдвое дешевле.
Большая часть лития сегодня добывается из естественных водяных линз соляных озер, в насыщенных соляных растворах которых концентрируется хлорид лития, калий и натрий. Раствор выкачивается и выпаривается на солнце, полученная смесь солей перерабатывается.
Извлечение лития
Солончак Уюни содержит около 100 миллионов тонн лития, или от 50 до 70% его мировых запасов.
Крупнейший источник лития находится в Боливии — это солончак Уюни, высохшее соленое озеро, расположенное на высоте около 3650 м над уровнем моря. Имеет площадь 10 588 км². Внутренняя часть покрыта слоем поваренной соли толщиной 2-8 м. Хлорид лития, находящийся здесь в огромных количествах, пригоден для добычи из него лития, а раньше использовался в качестве замены обычной соли. Употреблять в пищу его перестали после открытия токсических эффектов.
Литиевый соляной пруд в Аргентине.
Для извлечения лития соляные растворы сначала перекачивают на поверхность в специальные пруды, где под воздействием солнца в течение нескольких месяцев происходит медленное испарение. Когда хлорид лития в испарительных прудах достигает оптимальной концентрации, раствор перекачивают на восстановительную установку, где фильтрацией удаляют из смеси нежелательные примеси.
Преобразование лития в металл производится в электролитической ячейке. Хлорид лития смешивается с хлоридом калия в соотношении 55% к 45% для того, чтобы произвести расплавленный эвтектический электролит. Далее электролизом расплава при температуре 600 °C получают расплавленный литий, который поднимается на поверхность электролита.
Другие химические элементы
Составляющие стоимости Li-ion батареи.
Внутри литий-ионного аккумулятора может использоваться несколько материалов для катодов. Первоначально основным компонентом катода был кобальт, но он имеет ограниченную доступность в природе и токсичен, что является огромным недостатком для массового производства. Сегодня кобальт частично замещается никелем, а также смесью кобальта, никеля и марганца.
Безопасная и долговечная батарея нуждается в надежном электролите, который может выдерживать существующее напряжение и высокие температуры и имеет длительный срок хранения, обеспечивая высокую подвижность ионов лития. Растворы электролита состоят из органических растворителей, соли LiPF6 (гексафторфосфат лития) и различных добавок.
Электролит высокой чистоты играет ключевую роль в транспортировке положительных ионов лития между катодом и анодом. Электролитные добавки улучшают стабильность, предотвращая деградацию раствора. Состав электролитов варьируется в зависимости от используемых анодных и катодных материалов, однако выбор электролита часто подразумевает компромисс между воспламеняемостью и электрохимическими характеристиками.
Полимерные электролиты представляют собой ионно-проводящие полимеры. Они часто смешиваются в композитах с керамическими наночастицами, что приводит к более высокой проводимости и устойчивости к более высоким напряжениям.
В литий-ионных батареях в качестве токоприемников используется разнообразная металлическая фольга — медная, никелевая или фольга из каталитической меди. Как правило, медная фольга ставится в качестве отрицательного электрода для коллектора анодного тока, а алюминиевая фольга применяется в качестве положительного электрода для катодного токосъемника.
Строение Li-po батареи
Анод состоит из смеси графита и лития (возможно также использование интерметаллидов или кремния), в то время как катод объединяет литий и другие металлы (материалы катода требуют чрезвычайно высокой чистоты и должны быть почти полностью очищены от нежелательных металлических примесей — железа, ванадия и серы).
Отделяет катод от анода сепараторный материал из полипропилена, полиэтилена или другого схожего полимерного материала. Сепараторы большинства батарей состоят из очень простых пластиковых пленок, которые имеют правильный размер пор, чтобы позволить ионам перемещаться, блокируя при этом другие элементы. В случае жидкого электролита сепаратор представляет собой вспененный материал, который пропитывается электролитом и удерживает его на месте.
Процесс производства батареи
Основы для анода и катода поставляются на завод в виде черного порошка, и для неподготовленного глаза они почти неотличимы друг от друга. Порошок очень мелкой фракции, чтобы достичь максимальной эффективной площади поверхности электродов. Форма частиц также важна. Предпочтительны гладкие сферические крупицы с закругленными краями, поскольку острые кромки или шелушащиеся поверхности чувствительны к высоким электрическим нагрузкам.
Аноды и катоды в литиевых батареях имеют одинаковую форму и выполняются по аналогичным процессам на идентичном оборудовании. Но поскольку загрязнение между анодным и катодным материалами приведет к разрушению батареи, то для предотвращения контакта материалов их обычно обрабатываются в разных цехах.
Первая стадия производства заключается в смешивании материалов электродов и нанесении суспензии на поверхность фольги. Активные электродные материалы покрываются с обеих сторон металлической фольгой, которая действует как токоприемник, проводящий ток внутри и снаружи ячейки. Затем фольга с материалами сушится, разрезается на узкие полоски и сворачивается в несколько слоев. Это требует постоянного контроля, поскольку любые заусенцы на краях полосок фольги могут привести к внутренним коротким замыканиям в ячейках.
В процессе сборки батареи сепаратор зажимают между анодом и катодом. После помещения батареи в корпус ее заполняют электролитом и запечатывают. Это должно выполняться в «сухой комнате», так как электролит реагирует с водой. Влага приведет к разложению электролита с выбросом токсичных газов.
Электроды помещают в корпус, оставляя отверстие для добавления электролита/
Как только сборка ячейки будет завершена, она должна пройти хотя бы один контролируемый цикл зарядки/разрядки. Процесс зарядки начинается с низкого напряжения, которое постепенно нарастает. Только после прохождения теста батарея покинет завод и отправится дальше.
В будущем, несомненно, появятся новые виды аккумуляторов. Возможно, тогда литий останется в прошлом. Пока же есть еще множество возможностей для улучшения характеристик существующих аккумуляторных батарей.
- аккумуляторы
- создание аккумуляторов
- Блог компании ASUS
- Гаджеты
- Смартфоны
- Энергия и элементы питания
- Ноутбуки