Главная » Разное » Ионно литиевый аккумулятор: Как устроен литий-ионный аккумулятор | Полезная информация | Cписок категорий | Блог

Ионно литиевый аккумулятор: Как устроен литий-ионный аккумулятор | Полезная информация | Cписок категорий | Блог

| – Комментировать

Содержание

Как устроен литий-ионный аккумулятор | Полезная информация | Cписок категорий | Блог

Берем два длинных листка: из графита и из оксида лития с кобальтом (LiCoO2). Смазываем их электролитом, прокладываем между ними тонкую перфорированную пластиковую пленку и сворачиваем рулончиком. Литий-ионный аккумулятор готов.


Когда мы подаем на пластинки напряжение — на графит минус, а на оксид лития плюс — от молекул оксида отцепляются положительно заряженные ионы лития и перепрыгивают на углеродную пластинку. Так происходит зарядка аккумулятора.
Первый в мире серийный электрический спорткар Tesla Roadster, питается как раз от литий-ионных аккумуляторов. Принципиально они не отличаются от аккумулятора для шуруповерта, ноутбука или телефона.

Когда аккумулятор заряжен и вы решаете им воспользоваться, то все происходит наоборот: положительно заряженные ионы лития перепрыгивают обратно на оксид лития, в свое нормальное состояние. В полученной батарейке графитовая пластинка становится минусом, а оксид лития — плюсом.

Такие аккумуляторы обладают большой емкостью, у них нет эффекта памяти, они легкие и компактные.

Эффект памяти аккумулятора — в настоящий момент под эффектом памяти понимается обратимая потеря ёмкости, имеющая место в некоторых типах электрических аккумуляторов при нарушении рекомендованного режима зарядки, в частности, при подзарядке не полностью разрядившегося аккумулятора. Название связано с внешним проявлением эффекта: аккумулятор как будто «помнит», что в предыдущие циклы работы его ёмкость не была использована полностью, и при разряде отдаёт ток до «запомненной границы».

Но при неправильном использовании у них есть и минусы:
  • При сильном нагревании аккумулятор может загореться.
  • Если аккумулятор сядет ниже определенного критического уровня, то его больше никогда нельзя будет зарядить.

Поэтому такие аккумуляторы объединяют в батареи со встроенной электроникой, которая следит за температурой и режимами зарядки каждого отдельного аккумулятора.

Li-ion ИБП и АКБ | Каталог продукции компании БАСТИОН

Филиал №11 ДЕАН
(861) 372-88-46
www.dean.ru

Филиал ЭТМ
(86137) 6-36-20, 6-36-21
www.etm.ru

Филиал ЭТМ
(8512) 48-14-00 (многоканальный)
www.etm.ru

Системы видеонаблюдения, филиал
(3854) 25-59-30
www.sv22.ru

Филиал ЭТМ
(8162) 67-35-10, 67-35-15
www.

etm.ru

Филиал ЭТМ
(4922) 54-04-99, 54-04-98
www.etm.ru

Филиал ЭТМ
(8172) 28-51-08,
28-51-06, 27-09-39
www.etm.ru

Филиал ЭТМ
(3412) 90-88-93,
90-88-94,
90-88-95
www.etm.ru

Филиал ЭТМ
(4842) 51-79-78,
51-79-72,
51-79-37,
52-81-39
www.etm.ru

Протэк
(996) 334-59-64
www. pro-tek.pro

Системы видеонаблюдения, филиал
(3842) 780-755
www.sv22.ru

Филиал ЭТМ
(3842) 31-58-78, 31-60-18, 31-66-06
www.etm.ru

Филиал ЭТМ
(4942) 49-40-92, 49-40-93
www.etm.ru

Техника безопасности ОП на Стасова
(861) 235-45-30, 233-98-66, 8-918-322-17-14
www.t-save.ru

Техника безопасности ОП на Промышленной
(861) 254-72-00, 8-918-016-72-31, 8-989-270-02-12

www.t-save.ru

ДЕАН ЮГ ОП На Достоевского
(861) 200-15-44, 200-15-48, 200-15-49
www.dean.ru

ДЕАН ЮГ ОП На Рашпилевской
(861) 201-52-52
www. dean.ru

ДЕАН ЮГ ОП На Леваневского
(861) 262-33-66, 262-28-00
www.dean.ru

ДЕАН ЮГ ОП На Мандариновой
(861) 201-52-53
www.dean.ru

Филиал ЛУИС+
(861) 273-99-03
www.luis-don.ru

Филиал ЭТМ
(861) 274-28-88 (многоканальный),

200-11-55
www.etm.ru

Филиал ЭТМ
(3843) 993-600, 993-041, 993-042
www.etm.ru

Арсенал Безопасности ГК
(3812) 466-901 , 466-902, 466-903, 466-904, 466-905
www. arsec.ru

ДЕАН СИБИРЬ
(3812) 91-37-96, 91-37-97
www.dean.ru

СТБ


(3812) 51-40-04, 53-40-40
www.stb-omsk.ru

Филиал Ганимед СБ
(3812) 79-01-77
+7-913-673-99-01
www.ganimedsb.ru

Филиал ЭТМ
(3812) 60-30-81
www.etm.ru

КомплектСтройСервис
(4912) 24-92-14
(4912) 24-92-15
www.kssr.ru

Филиал ЭТМ
(4912) 30-78-53,
30-78-54,
30-78-55,
29-31-70
www.etm.ru

Филиал Бастион
(8692) 54-07-74
+7-978-749-02-41
www.

bastion24.com

Филиал Грумант Корпорация
(8692) 540-060, МТС Россия: +7 978 744 3859
www.grumant.ru

Бастион
(365) 512-514
+7-978-755-44-25
www.bastion24.com

Охранные системы
(365) 251-04-78
(365) 251-14-78
+7 (978) 824-22-38

Филиал Защита СБ
(4725) 42-02-31
www.zassb.ru

Филиал ЭТМ
(4725) 42-25-13, 42-62-51
www.etm.ru

Филиал ЦСБ
(8452) 65-03-50, 8-800-100-81-98
www. centrsb.ru

Филиал ЭТМ
(4752) 53-70-07,
53-70-00
www.etm.ru

Филиал ЭТМ
(4872) 22-24-25,
22-24-26,
22-26-71
www.etm.ru

Центр Систем Безопасности
(3452) 500-067, 48-46-46, 41-52-55
www.csb72.ru

Филиал ДЕАН
(3452) 63-83-98, 63-83-99

www.dean.ru

Филиал ЛУИС+
(3452) 63-81-83
(3452) 48-95-35
www.luis.ru

Филиал РАДИАН
(3452) 63-31-85, 63-31-86
www.radiantd.ru

Филиал ЭТМ
(3452) 65-02-02
(3452) 79-66-60 (61/63)
(3452) 65-01-01
www. etm.ru

Востокспецсистема
(4212) 67-42-42
www.vssdv.ru

КОМЭН
(4212) 75-52-53, 75-52-54, 60-32-35
www.koman.ru

ТД «Планета Безопасности»
(4212) 74-62-12, 20-40-06, 74-85-11
www.planeta-b.ru

Филиал Хранитель
(4212) 21-70-82, 21-30-50, 24-96-56
www.hranitel-dv.ru

Филиал ЭТМ
(8202) 49-00-33, 49-00-39
www.etm.ru

АИСТ
+7 (4852) 45-10-78
+7 (4852) 45-10-73
www. aist76.ru

Филиал ЭТМ
(4852) 55-15-15,
55-57-94,
55-31-84,
55-33-84
www.etm.ru

Литий ионный аккумулятор на морозе, чего боятся литиевые аккумуляторы

Время прочтения: 5 мин

Дата публикации: 25-07-2020

Литий-ионные (Li-Ion) аккумуляторы стали наиболее распространенными на данный момент. Одной из немногих сфер, где литиевые АКБ не прижились — это транспорт с двигателем внутреннего сгорания, где батарея используется лишь для зажигания и питания основных узлов.

С популяризацией электротранспорта потребность в литиевых аккумуляторных батареях выросла еще сильнее. Под электротранспортом понимаются не только электрокары, но и электровелосипеды, электросамокаты и прочая техника, приводимая в движение при помощи электродвигателя.

Из-за того, что li-ion АКБ используются практически везде, пользователи часто интересуются, чего боятся литий-ионные аккумуляторы. Это полезно знать, особенно если эксплуатируется дорогостоящая сборка из большого количества элементов, которую не хочется менять почти каждый год.

Чего боятся Li-ion аккумуляторы

Каждый тип аккумулятора имеет определенные требования по эксплуатации, которым следует соответствовать для достижения максимально длительного срока службы, близкого к заявленному. Обычно эти требования одинаковы, отличаясь лишь конкретными цифрами. Среди них можно выделить следующие:

  • Ток заряда и разряда. Каждая АКБ имеет максимально допустимый ток заряда и разряда. Для многих литий-ионных аккумуляторов это не очень актуально из-за наличия BMS контроллера, управляющего всеми процессами и защищающего от неправильной эксплуатации;
  • Уровень заряда. Любой аккумулятор можно испортить, разрядив его “в ноль” и оставив в таком состоянии на хранение. АКБ всегда должна быть заряжена. Оптимальный для хранения уровень заряда обычно составляет порядка 60%. На 100% разрядить литиевую АКБ также не получится из-за контроллера BMS, но от саморазряда при хранении ничего не защитит;
  • Температурный режим. Как хранение, так и эксплуатация должны происходить при подходящей для конкретного типа АКБ температуре. В большинстве случаев АКБ эксплуатируется в помещении, либо есть возможность его туда переместить, поэтому литиевые аккумуляторы на морозе эксплуатируются нечасто. Так было раньше до популяризации электротранспорта. Сейчас работа литий-ионных и полимерных АКБ в мороз волнует пользователей куда больше.

Что происходит с Li-ion аккумулятором на морозе

Несмотря на то, что проблема эксплуатации li-ion батарей при отрицательных температурах стала острой относительно недавно, в некоторых сферах она была актуальна уже много лет назад.

Многие, наверное, помнят ситуации, когда смартфон (обычно это касалось уже устаревших поколений iPhone) отключался после длительного нахождения на открытом воздухе в минусовую температуру. Это связано с тем, что литий-ионный аккумулятор на морозе сильно теряет в токоотдаче и уровне заряда.

А теперь представьте, что речь идет не о смартфоне, а, скажем, об электровелосипеде. Да, многие разумно предпочитают подождать до весны, однако любителей зимних велопрогулок быстрая потеря заряда может застать врасплох. С электрокарами ситуация аналогичная. Суть проблемы заключается в том, что многие химические реакции замедляются при низких температурах, а литий-ионный аккумулятор — это как раз химический источник питания. Соответственно, в мороз аккумулятор рискует глубоко разрядиться даже находясь в состоянии простоя. Это стоит учитывать и вовремя заряжать АКБ. Обращаем внимание, что заряжать аккумулятор сразу после мороза не рекомендуется. Он должен естественным образом согреться перед началом процесса.

Если не усмотреть за литий-ионным аккумулятором и допустить саморазряд до критически низких напряжений (ниже 2,5В на элемент), то спустя некоторое время хранения аккумулятор может выйти из строя без возможности восстановления. В рамках, скажем, одного элемента типоразмера 18650 это не кажется проблемой, однако если речь идет о десятках или даже тысячах (в автомобилях Tesla установлено более 7 тысяч ячеек 18650 от Panasonic), потери будут значительными. Поэтому внимательно следите за состоянием аккумулятора и поддерживайте стабильно средне-высокий уровень заряда для его хранения.

Как решить проблему эксплуатации литиевого аккумулятора на морозе

Если избежать эксплуатации литиевой аккумуляторной батареи на морозе не получится, есть пара способов немного облегчить ситуацию.

Очевидным решением является утепление аккумулятора. В роли утеплителя может быть любой теплоизоляционный материал вплоть до пенопласта. Главное, чтобы пространство позволяло. Благодаря изоляции тепло, вырабатываемое аккумуляторами в процессе эксплуатации, будет поддерживать приемлемую температуру. Во время простоя это тепло поможет некоторое время согревать батарею. Таким образом, как минимум процесс эксплуатации и непродолжительный простой будут происходить в более-менее приемлемых условиях.

Второй вариант решения проблемы более радикальный. Он заключается в том, чтобы подобрать другой тип литиевых аккумуляторов, который лучше переносит эксплуатацию при низкой температуре окружающей среды. К таким типам относятся литий-железо-фосфатные аккумуляторы (LiFePO4). Они прекрасно работают даже при температурах -20°C, однако отличаются не самым стандартным напряжением одного элемента. Еще одним крайне перспективным типом литиевых АКБ для электротранспорта являются литий-титанатные аккумуляторы. Они предлагают не только уверенную работу в мороз, но и длительный срок службы (срок службы некоторых моделей может превышать период эксплуатации самого электротранспорта), а также возможность быстрой зарядки. Для литий-титанатной батареи зарядка за 5-10 минут — стандартное явление.

Правда и мифы о литий-ионных и свинцово-кислотных аккумуляторах

Рано или поздно каждый собственник складской техники сталкивается с тем, что ему нужно купить новый электропогрузчик или заменить на своём погрузчике отслужившую свой срок аккумуляторную батарею. Такая же задача может стоять и в отношении остальной складской техники — электротележек, штабелёров, комплектовщиков и т. д. Одной из важных задач в этом случае будет вопрос, какой тип аккумулятора выбрать? Поставщики тяговых батарей для напольного грузоподъемного транспорта предлагают как классические свинцово-кислотные аккумуляторы, так и необслуживаемые клапанно-регулируемые или гелевые батареи. Альтернативой свинцово-кислотным аккумулятором является более современный литий-ионный (литий-железо-фосфатный) источник питания. Правда многие потребители до сих пор опасаются данной технологии и по старинке используют аккумуляторы старого типа. Такой подход на наш взгляд может быть из-за недостатка информации о плюсах и минусах тяговых аккумуляторов различных типов. Ниже мы попытаемся развеять мифы о литий-ионных аккумуляторах.

Перейти на страницу товара: Li-Ion тяговая батарея→

Миф первый

Литий-ионные аккумуляторы не безопасны и лучше их не использовать в качестве источника питания электрического погрузчика, штабелёра, электротележки. Они могут взрываться, самовозгораться, поэтому лучше с ними не связываться

Трудно было бы с этим спорить, если бы мы были в 80-х годах прошлого века. Действительно первые образцы литий-ионных батарей не отличались высокой безопасностью. При работе такой батареи существовал риск короткого замыкания внутри элементов, нагрева и даже возгорания. Обычно это могло произойти в конце срока службы по причине низкой химической стабильности компонентов батареи.

В первых коммерческих литий-ионных батареях, выпущенных компанией Sony в 1991 году, металлический литий был заменен на более безопасную ионную форму. Однако даже после этого сфера использования данных аккумуляторов ограничивалась мелкой бытовой электроникой. Речи об использовании литий-ионных батарей в качестве источника питания складской техники тогда даже не было.

Ситуация кардинально изменилась в 1997 году, когда было изобретено новое соединение – литий-железо-фосфат (LiFePo4) в качестве катодного материала литий-ионных аккумуляторов. Это соединение является безопасным, и не содержит ядовитых веществ. Правда только в 2005-2006 годах ученым в США удалось окончательно доработать эту «химию», так чтобы стало возможным её коммерческое использование. В результате появились на свет литий-железо-фосфатные аккумуляторы с поистине революционными характеристиками в сравнении с обычными свинцово-кислотными батареями. Именно литий-железо-фосфатные батареи используются для питания электропогрузчиков и складской техники.

Кроме безопасного химического состава каждая литий-ионная тяговая батарея имеет блок управления (BMS), который управляет процессом заряда-разряда, защищает ячейки батареи от перезаряда и глубокого разряда. Даже если по какой-то причине BMS не отключит батарею в экстренной ситуации, то каждая ячейка имеет предохранительный клапан на случай перезаряда или короткого замыкания. Клапан сбросит внутреннее давление в ячейке в нештатной ситуации, чтобы избежать взрыва.

А как же относится к случаям возгорания и/или взрыва литий-ионных батарей смартфонов, планшетов, электронных сигарет и прочих девайсов, которые то и дело появляются в СМИ? К счастью эти аккумуляторы имеют мало общего с тяговыми батареями. В основном все эти случаи связаны с коротким замыканием внутри аккумулятора по причине физической деформации в результате ударов или других повреждений.

Миф второй

Я привык работать со свинцово-кислотными батареями и меня всё в них устраивает. Литий-ионные батареи для вилочных погрузчиков — это что-то из области фантастики и мне это не очень интересно

Разница между литий-ионными и свинцово-кислотными аккумуляторами примерно такая же, как между современной электричкой и паровозом. Свинцово-кислотный аккумулятор был изобретён в 1859 году. Это даже не прошлый, а позапрошлый век. Широко известны главные недостатки этих аккумуляторов, от которых они никогда не избавятся.

Перечислим пять самых критичных:

  • Во-первых, это использование в качестве электролита свинцово-кислотных аккумуляторов раствора серной кислоты. Отсюда едкий запах, взрывоопасное выделение газа при зарядке, необходимость доливки воды. Как результат нам нужно оборудовать зарядную комнату и нести затраты на обслуживание таких батарей.
  • Во-вторых, риски значительного сокращения срока службы в силу небрежного отношения персонала. Срок службы может серьезно сократиться по причине отсутствия контроля за уровнем и плотностью электролита, хранения разряженной батареи, разрядов ниже допустимой глубины, нарушений температурного режима использования, не соблюдения полных циклов заряда-разряда. Другими словами свинцово-кислотный аккумулятор это довольно капризная вещь, требующая регулярного присмотра.
  • В-третьих, длительное время зарядки. Чтобы полностью нормально зарядить классическую кислотную батарею с жидким электролитом необходимо как минимум 7,5-8 часов. Возможны более быстрые режимы зарядки, но это нельзя делать ежедневно. Для быстрой зарядки необходимы высокие токи, что сильно сокращает срок службы свинцово-кислотных батарей в силу особенности данной технологии.
  • В-четвертых, для организации многосменной работы требуется не просто оборудовать зарядную комнату, но и иметь комплект из 2-х батарей на каждую единицу техники. Обычно тяговые кислотные батареи весят от нескольких сотен килограмм до 1 тонны и более. Поэтому необходимо ещё и оборудование для транспортировки и безопасной замены. Как правило это специальные рольганги, столы или кран-балки.
  • В-пятых, низкий КПД. Свинцово-кислотные батареи только 80% потраченной на их зарядку энергии затем отдают на питание складской техники. Остальное улетучивается в виде тепла.

Давайте посмотрим сколь это в деньгах, к примеру, для ричтрака с кислотной батареей 48 В 750 Ач. Такая батарея за один цикл с учётом глубины разряда 80% отдает 48*750*80%/1000 = 28,8 кВт. За средний срок службы 5 лет при условии 1 цикла в день и 250 рабочих дней получится 28,8*250*5= 36 000 кВт. Но реально мы потратим на электричество на 20% больше, что составит при цене 0,15 евро/1 кВтч — 36 000*20%*0,15=1080 евро. Больше 1000 евро просто улетучится с каждой батареи. Это еще не при самом интенсивном режиме работы.

Всех этих недостатков лишены литий-железо-фосфатные батареи для питания напольного электрического транспорта. Они ничего не выделяют во время зарядки и разрядки, не требуют какого-либо обслуживания, сами автоматически выключаются, чтобы не допускать глубокого разряда и могут без ущерба сроку службы подвергаться любому количеству промежуточных зарядов. Время полной зарядки составляет как правило 1,5-2 часа. Можно использовать одну батарею для многосменной работы, если есть хотя бы небольшие перерывы для промежуточных зарядов. КПД литий-железо-фосфатных аккумуляторов составляет 96%, срок службы в среднем 3000-5000 циклов в зависимости от производителя.

Миф третий

Свинцово-кислотные батареи постоянно совершенствуются. Есть гелевые необслуживаемые батареи, для которых не требуется зарядная комната. Есть батареи типа HFC (Hawker NexSys), которые не выделяют газов при зарядке и могут подвергаться промежуточным зарядам

Действительно, такие батареи есть, но всё это похоже на попытки ехать на загнанной лошади. Сама свинцово-кислотная технология уже себя исчерпала. Никакие ухищрения производителей не позволят побороть основные её недостатки.

Клапанно-регулируемые батареи действительно почти не выделяют газов. Однако они являются условно не обслуживаемыми. Электролит в них представляет собой тот же раствор серной кислоты в связанном состоянии. Соответственно на эти батареи распространяются все те же недостатки свинцово-кислотных батарей, перечисленные выше, в том числе и необходимость отвода газов при зарядке. В руководстве по эксплуатации клапанно-регулируемых батарей указывается, что батареи в процессе зарядки выделяют крайне мало газов. Однако при их эксплуатации необходимо соблюдать те же требования безопасности, как и для батарей с жидким электролитом (Стандарт EN 50272-3/ IEC 62485_3 «Тяговые батареи для промышленных погрузчиков»). Другими словами, необходимо предусмотреть отвод газов.

Что касается стандартных гелевых батарей, то это самый неэффективный источник питания для электропогрузчиков и складской техники. Срок службы таких батарей составляет всего 1200 циклов при глубине разряда не более 60%. Для нормального режима заряда таких аккумуляторов можно использовать относительно небольшие токи заряда, обычно 0,25-0,3 С. Поэтому время полного заряда составляет обычно 10-12 часов, а у некоторых батарей 12-14 часов. По этой причине их невозможно использовать для многосменной работы. Не слишком любят такие батареи и эксплуатацию при низких температурах окружающей среды. Работа в условиях отрицательных температур значительно снижает полезную ёмкость гелевой батареи.

Миф четвёртый

Литий-ионные батареи для вилочных погрузчиков — это что-то диковинное. Их пока мало кто покупает

На самом деле рынок литий-ионных аккумуляторов для грузоподъемной складской техники бурно развивается как минимум последние пять-семь лет. Ведущие производители техники активно добавляют в свою производственную линейку модели техники с литий-ионными источниками питания.

Наша компания, как официальный дилер немецкого производителя STILL, не безуспешно предлагает купить погрузчики, штабелёры, электрические тележки с литий-ионным аккумулятором нашим постоянным клиентам в Минске и по всей территории Республики Беларусь. Благодаря нашей помощи в экономическом обосновании покупки литий-ионных батарей в последние годы практически каждая вторая единица техники поставляется нашим клиентам с современным источником питания.

Очень интересной тенденцией является еще и то, что в последние годы в литий-ионную технологию поверили даже производители традиционных свинцово-кислотных батарей. Если пять-семь лет назад они и слышать о литий-ионных батареях не хотели, то теперь сами их производят на ряду с традиционными свинцово-кислотными. Тенденция на наш взгляд такова, что в скором будущем литий-ионные батареи полностью вытеснят обычные свинцово-кислотные.

Миф пятый

Литий-ионные батареи слишком дорогие.

Они в разы дороже свинцово-кислотных и нет смысла тратить на них деньги. Подождем пока они подешевеют

Конечно, подождать всегда можно. Действительно есть вероятность, что бурное развитие литий-ионной технологии приведёт к появлению новых игроков на рынке и цены могут пойти вниз. Но даже при нынешнем уровне цен стоит обратить внимание на данный тип аккумуляторов. Если смотреть не просто на покупную стоимость, а ещё учесть срок службы, то окажется, что во многих случаях «дешёвые» свинцово-кислотные батареи обходятся потребителю дороже, чем современные литий-ионные.

Возьмём к примеру ситуацию, когда предприятие имеет парк складской техники, но не имеет специальной комнаты для зарядки обычных свинцово-кислотных батарей. В таком случае приходится либо инвестировать в строительство зарядной, либо использовать гелевые батареи, которые почти не имеют газовыделения в процессе зарядки. Многие идут по второму варианту.

Теперь давайте сравним две простые цифры. Срок службы гелевой батареи любого премиального бренда при соблюдении всех условий эксплуатации составляет не более 1200 циклов заряда-разряда. При этом максимальная глубина разряда допускается не более 60%. Другими словами, если ваша батарея имеет номинальную емкость 100 Ач, то реально вы используете только 60Ач и можете «снять» с неё за весь срок службы 100 Ач х 60% х 1200 = 72 000 Ач. Срок службы такой же литий-железо-фосфатной батареи, собранной, к примеру, на ячейках Winston составляет 5000 циклов при допустимой глубине разряда 80%. Её ресурс составит 100 Aч х 80% х 5000 = 400 000 Ач.

Теперь попробуйте сопоставить стоимость той и другой батареи с учётом ресурса. Литий-ионная батарея заряжается за 2 часа, а не за 11-12 часов, как гелевая. Если сюда добавить более высокий КПД (96% у Li-Ion против 80% у гелевой), то выбор становится очевидным.

Подведем итог:

Литий-железо-фосфатные аккумуляторы для электрических вилочных погрузчиков и другой складской грузоподъёмной техники уверенно отвоёвывают позиции у традиционных свинцово-кислотных батарей. Свинцово-кислотные батареи никогда не избавятся от своих основных недостатков в силу особенностей данной устаревшей технологии. Единственное их преимущество — это низкая покупная стоимость.

При выборе типа аккумуляторов для складской техники мало учитывать только их покупную стоимость. Стоит сопоставить срок службы, допустимую глубину разряда, время полной зарядки, необходимость обслуживания и пр.

Перейти на страницу товара: Li-Ion тяговая батарея→

Производство литий-ионных аккумуляторов – Портфельная компания РОСНАНО

Литий-ионные аккумуляторы

Создание первого в России масштабного производства литий-ионных (Li-Ion) аккумуляторов нового поколения для энергетики и электротранспорта

В декабре 2011 года в рамках проекта запущен крупнейший в мире завод по производству литий-ионных аккумуляторов (ЛИА) высокой емкости компании «Лиотех».

В технологии производства используется наноструктурированный катодный материал литий-железо-фосфат (LiFePO4). Этот материал позволяет достигать наилучших характеристик аккумуляторов при их промышленном производстве.

Важнейшие характеристики литий-ионных аккумуляторов (ЛИА) — высокая плотность энергии, широкий температурный диапазон и длительный срок эксплуатации, экологичность и безопасность.

«Лиотех» осуществляет поставки аккумуляторов для городского электротранспорта, в частности, для троллейбусного завода «Тролза», где продукция «Лиотеха» используется для троллейбусов с запасом автономного хода. Кроме того, «Лиотех» осуществляет поставки для энергетического рынка. Компания «Хевел» запустила гибридную энергоустановку (АГЭУ) в селе Менза Забайкальского края. В составе установки были использованы аккумуляторные ячейки для накопителя энергии емкостью 300 кВт•ч производства «Лиотех». Планируется, что в 2017 году «Хевел» построит в Забайкалье еще две гибридные электростанции, на которых также могут быть использованы накопители энергии «Лиотех».

Сферы применения
  • Энергетика (стационарные применения)
  • Электротранспорт
Основные потребители
  • Системы энергоснабжения и энергосбережения
  • Производители электротранспорта
Конкурентные преимущества
  • Высокая емкость аккумулятора
  • Отсутствие эффекта памяти
  • Надежность и безопасность
  • Широкий температурный диапазон эксплуатации
  • Длительный срок эксплуатации: в энергетике — до 25 лет, на электротранспорте — до 8 лет
  • Ресурс, заряд/разряд при глубине разрядки до 80% — более 3000 циклов
  • Ресурс батареи при использовании на электротранспорте — более 600 тыс. км пробега

Литий-ионные аккумуляторные батареи – Особенности интерфейса и менеджмента ЛИАБ – ПАО Сатурн

Обеспечение надежности и безопасности ЛИАБ

Защита от перезаряда и переразряда внешне обеспечивается электронным устройством, абсолютно надежным в управлении.

Внутреннее КЗ предотвращается конструктивно: обертыванием (пакетированием) электродов сепараторами и тем, что при этом между электродами находится трехслойный сепаратор, который при достижении критической температуры теряет пористость (заплавляется) и останавливает электрохимический процесс.

Исключение из цепи отказавших или аномально деградировавших аккумуляторов выполняется применением байпасных переключателей.

Основные требования, которые предъявляются к байпасному переключателю для литий-ионной аккумуляторной батареи для космического аппарата, это надежность, минимальные энергетические потери, минимальная масса, сохранение неразрывности цепи ЛИАБ при переключении и механическая и радиационная стойкость.

Схема подключения байпасного переключателя и временная диаграмма работы переключателя обеспечивает сохранение неразрывности при переключении цепи соединения аккумуляторов в аккумуляторной батарее.

Таким образом, отказ любого элемента не приводит к отказу ЛИАБ. Надежность ЛИАБ обеспечивается также всеобъемлющей квалификацией (в том числе ресурсными испытаниями) и тщательным контролем при изготовлении.

Транспортировка литиевых батарей — Полезная информация DHL Express

В связи с ростом обеспокоенности в отношении безопасности в авиационной отрасли ИКАО/ИАТА ужесточили требования к перевозке литиевых батарей, что предполагает более строгое соблюдение авиакомпаниями установленных правил.

Безопасная перевозка таких грузов воздушным транспортом и тщательное соблюдение требований ИКАО/ИАТА относятся к сфере юридической ответственности грузоотправителя. Учитывая это, ИАТА разработала руководство, с помощью которого грузоотправители смогут лучше разобраться в действующих требованиях и выполнять их.

Для грузов, содержащих литиевые батареи и требующих нанесения соответствующей маркировки или знаков, необходимо получить специальное разрешение на доставку опасных грузов.

DHL не осуществляет перевозку литий-металлических батарей, упакованных в соответствии с разделом II инструкции 968 (отдельно упакованные литий-металлические батареи).

Поскольку на пассажирских самолетах действует запрет на транспортировку литий-ионных батарей, упакованных согласно инструкции 965, DHL Express ограничила прием грузов, относящихся к этой категории.

 Введенные ограничения затронули множество видов электронного оборудования, в котором используются литиевые батареи, будь то перезаряжаемые (литий-ионные) или неперезаряжаемые (литий-металлические) аккумуляторы. Правила применяются в следующих случаях:

  • Литиевые батареи упакованы и отправляются как отдельные элементы. Пример: внешние аккумуляторы.
  • Литиевые батареи упакованы отдельно, но отправляются в одной коробке с оборудованием. Пример: камера с дополнительным аккумулятором.
  • Литиевые батареи являются частью оборудования или установлены внутри него и поэтому отправляются в той же коробке. Пример: планшет со встроенной литиевой батареей.
Любое физическое или юридическое лицо, указанное в накладной DHL Express в качестве грузоотправителя, несет юридическую ответственность за полное соблюдение требований ИАТА в отношении опасных грузов. Эта ответственность сохраняется даже в тех случаях, когда груз, содержащий литиевые батареи, фактически не принадлежит физическому или юридическому лицу, указанному в накладной в качестве грузоотправителя.

Во избежание нежелательных последствий мы просим вас предупреждать сотрудников DHL Express перед отправкой любого груза, содержащего литиевые батареи. Наша команда профессионалов будет рада предоставить вам консультацию по актуальным требованиям ИАТА в отношении транспортировки опасных грузов и соответствующим правилам DHL.

Важно!
Испорченные и поврежденные литиевые батареи, а также литиевые батареи, которые предположительно могут быть повреждены, представляют собой опасность для людей и перевозимых грузов и запрещены к перевозке авиатранспортом.
При отправке по сети DHL ноутбуков, мобильных телефонов или другой электронной техники, содержащей литиевые батареи, необходимо до момента передачи груза сотрудникам DHL убедиться в том, что батареи не повреждены.

Справочники по отправке литиевый батарей

Справочник по отправке литиевый батарей
Правила ИАТА по отправке литиевых батарей
Литий-ионные батареи — Руководство
Литий-металлические батареи — Руководство

Дополнительную информацию вы можете уточнить у вашего коммерческого представителя.

Литий-ионный аккумулятор

— обзор

7.2.3 Неводные электролиты

В литиево-ионных вторичных батареях почти исключительно используются неводные электролиты в жидкой, гелеобразной или твердой полимерной форме. Жидкие электролиты являются наиболее часто используемой формой и основаны на растворе литиевой соли в одном или нескольких типах органических жидких растворителей. Гелевый электролит представляет собой материал с ионной проводимостью, в котором соль лития и растворители растворены в смеси полимеров, образующих гелеобразную матрицу для раствора.Наконец, твердый электролит — это материал электролита, который находится в форме твердого вещества, а не жидкости или геля.

Как отмечалось ранее в этой главе, электролит представляет собой смесь, состоящую из жидкого карбонатного растворителя, в котором растворена соль лития. Гексафторфосфат лития LiPF 6. — это типичная соль лития, которая используется в неводных электролитах и ​​смешивается с одним или несколькими алкилкарбонатами, такими как этиленкарбонат (EC), диметилкарбонат (DMC), диэтилкарбонат (DEC) или этилметил карбонат (EMC).Семейство алкилкарбонатов чаще всего используется в современных литий-ионных батареях из-за его стабильности с катодами, допускающими напряжения более 4 вольт, приемлемым температурным диапазоном, хорошей проводимостью и в целом низкой токсичностью (Aurbach et al. , 2004). Соли, используемые в растворах электролитов, представляют собой анионы или отрицательно заряженные частицы, которые позволяют им образовывать пары с катионами лития. Гексафторфосфат лития используется из-за его высокой проводимости и относительно хороших свойств безопасности. Однако важно отметить, что LiPF 6 , будучи углеводородом, легко воспламеняется, поэтому, когда элемент выходит из строя и переходит в термическое событие, электролит сгорает.

Как показано в упрощенном примере на рис.77, молекула LiPF 6 состоит из атома фосфата (красный), который связан с шестью атомами фтора (зеленый) с образованием молекулы аниона, которая, в свою очередь, может быть связана с катион лития (серебро). LiPF 6 образует стабильный интерфейс с алюминиевым токосъемником при высоких потенциалах напряжения. Он также образует стабильный интерфейсный слой SEI с электродами на основе графита. Одна из проблем с LiPF 6 заключается в том, что он имеет тенденцию абсорбировать воду или подвергаться гидролизу при воздействии окружающей среды и имеет относительно низкое окно термостабильности, что ограничивает температурный диапазон большинства литий-ионных элементов. LiPF 6 может показывать присутствие примесей, таких как гидрофторуглероды (HF), которые оказывают большое влияние на срок службы и производительность элементов (Henderson, 2014).

Рис. 77. Типичная молекула LiPF6.

В настоящее время разрабатываются и другие соли электролитов: тетрафторборат лития или LiBF 4 , бис-трифторметан лития LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , бис-оксальтоборат лития (LiBOB) и литий. дифлоур (оксальто) борат (LiDBOB). LiBF 6 вызывает большой интерес на протяжении многих лет, поскольку он более термически стабилен и менее подвержен гидролизу, чем LiPF 6 .Однако он не получил коммерческого использования из-за его гораздо более низкой проводимости, чем LiPF 6 . Тем не менее, он по-прежнему может иметь преимущества в качестве дополнительной соли. Как LiBOB, так и LiDBOB предлагают преимущества в улучшении характеристик при высоких температурах и увеличении верхнего предельного диапазона напряжения до более 4,5 В для LiBOB и 5,0 В для LiDBOB. Но они также страдают от более низкой проводимости, чем LiPF 6 , и представляют собой гораздо более сложные молекулы (Dahn & Ehrlich, 2011; Henderson, 2014).

При оценке потенциала новых солей лития они должны не только соответствовать описанным ранее эксплуатационным характеристикам, но и быть простыми в производстве при низких затратах и ​​без токсичных химикатов.Они должны обладать низкими гидролизными свойствами, не вступать в реакцию с водой с образованием HF ни при высоких температурах, ни в процессе производства. Это снижает затраты на весь процесс производства ячеек. У них могут быть двухвалентные анионы, а это значит, что им потребуется меньше соли, чтобы сохранить такое же количество катионов. Они должны продолжать действовать как окислительно-восстановительный шаттл и быть термически стабильными. Они должны обеспечивать улучшенные характеристики при низких температурах и должны образовывать стабильные слои SEI с активными материалами и токосъемниками.Наконец, новые соли также должны работать с новыми растворителями (Henderson, 2014).

Растворители, используемые в неводных литий-ионных элементах, обычно представляют собой циклический карбонат, такой как этиленкарбонат (EC), из-за его высокой диэлектрической проницаемости и стабильного образования SEI или пропиленкарбоната (PC). Циклический карбонат представляет собой сложный эфир, органическое соединение, полученное путем замены водорода кислоты алкилом слабой угольной кислоты. Но EC страдает от высокой вязкости и низкой температуры плавления (36 ° C), что означает, что обычно требуется добавка в качестве разбавителя в форме линейного карбоната, такого как диметилкарбонат (DMC), диэтилкарбонат (DEC) или этилметилкарбонат (EMC) (An et al., 2016). Добавление DMC обеспечивает лучшую электролитическую проводимость, улучшая более высокие энергетические характеристики в приложениях.

Соли лития обычно составляют от около 30% до 50% концентрации электролита в расчете на объем, с предпочтительной концентрацией около 30% объема. В смеси электролитов часто используется множество различных добавок для достижения различных характеристик. Они могут включать виниленкарбонат (VC), пропенсултон (PES), метиленметандислфонат (MMDS) или трис (триметилсилилфосфит (TTSPi), которые обсуждались ранее.

Сегодня также продолжаются исследования ряда других растворителей, включая фтор, бор, фосфор и серу. Фторирование анионов, по-видимому, уменьшает взаимодействия анионов и катионов лития, что может увеличить проводимость электролита. Это также может улучшить стабильность при высоких потенциалах напряжения и может улучшить стабильность к окислению и диапазон температур, в котором электролит находится в жидкой форме, и даже может добавить электролиту характеристики негорючести, но за счет растворимости солей лития (Henderson, 2014 ; Ue et al., 2014).

Другая область для непрерывных исследований и разработок неводных электролитов — это поиск способов сделать электролиты негорючими. Некоторые подходы к снижению воспламеняемости электролитов включают переход на твердый полимерный электролит, использование ионных жидкостей комнатной температуры в качестве растворителей, использование огнезащитных добавок и сорастворителей, добавление добавок алкилфосфатов и использование неорганических твердых электролитов. Каждое возможное решение дает шанс повысить безопасность электролитов, но большинство из них по-прежнему страдают от снижения производительности ячеек и общего срока службы (Ue et al., 2014).

Отзыв GM всех электромобилей Bolt вызывает вопросы о литий-ионных батареях

General Motors заявила в пятницу, что отзывает все электромобили Chevrolet Bolt, проданные по всему миру, для устранения проблемы с аккумулятором, которая может вызвать возгорание.

Отзыв и другие вызывают вопросы о литий-ионных батареях, которые сейчас используются почти во всех электромобилях. Ford, BMW и Hyundai недавно отозвали аккумуляторы.

Президенту Джо Байдену потребуются электромобили для достижения цели сокращения выбросов парниковых газов к половине 2030 года в рамках более широких усилий по борьбе с изменением климата.

В пятницу GM объявил об отзыве болтов с добавлением около 73000 болтов с 2019 по 2022 годы к предыдущему отзыву 69000 болтов более раннего поколения.

GM сообщил, что в редких случаях батареи имеют два производственных дефекта, которые могут вызвать возгорание.

Автопроизводитель из Детройта заявил, что заменит аккумуляторные модули во всех автомобилях. В более старых версиях будут заменены все пять модулей.

Последний отзыв обойдется компании примерно в 1 миллиард долларов, в результате чего общая стоимость отзыва аккумуляторов Bolt составит 1 доллар.8 миллиардов.

GM сказал, что владельцы должны ограничить зарядку до 90% емкости аккумулятора. Болты, включая новый внедорожник, также следует припарковать на открытом воздухе до замены модулей.

Первоначальный отзыв был обвинен в производственном дефекте на южнокорейском заводе, принадлежащем LG Chemical Solution, поставщику аккумуляторов GM. Но компания заявила, что расследование показало, что дефекты возможны в батареях, произведенных на других предприятиях. Самые новые батареи Bolt производятся на заводе LG в Голландии, штат Мичиган.

GM впервые отозвала Bolt в ноябре после получения сообщений о возгорании пяти из них. Два человека отравились дымом, был подожжен дом.

Сначала компания не знала, что является причиной проблемы, но определила, что батареи, которые загорелись, почти полностью заряжены. Они связали возгорания с так называемым редким производственным дефектом в модулях батарей. Это может вызвать короткое замыкание в ячейке, что может вызвать возгорание.

GM заявила, что приступила к изучению новых болтов после того, как модель 2019 года, которая не была включена в предыдущий отзыв, загорелась несколько недель назад в Чандлере, штат Аризона.Это вызвало опасения по поводу новых болтов.

В результате этого пожара общее количество возгораний Bolt достигло 10, сообщил представитель компании Дэн Флорес.

GM заявляет, что работает с LG над увеличением производства аккумуляторов. Компания заявляет, что владельцы будут уведомлены о передаче своих автомобилей дилерам, как только будут готовы запасные части.

Флорес сказал, что не уверен, когда это произойдет.

Компания заявила, что больше не будет производить и продавать болты, пока не убедится, что проблемы с батареями LG устранены, сказал Флорес.

«Наша ориентация на безопасность и правильное отношение к нашим клиентам определяет каждое решение, которое мы принимаем в GM», — сказал в своем заявлении Дуг Паркс, руководитель разработки продукции GM.

Батареи с новыми модулями будут поставляться с восьмилетней гарантией на 160 километров, сообщила компания. GM заменит все пять аккумуляторных модулей с 2017 по 2019 Bolts. Неисправные модули будут заменены на более новые модели.

GM заявила, что будет добиваться компенсации от LG.

Болты — это лишь малая часть общего U GM.S., которые составляют около 3 миллионов автомобилей в обычный год. Но они являются первыми в амбициозном выпуске электрических моделей, поскольку GM пытается достичь цели — продавать к 2035 году только легковые электромобили.

Другие автопроизводители также объявляют о выпуске дополнительных электрических моделей по всему миру, чтобы сократить загрязнение и соответствовать более строгим государственным стандартам экономии топлива.

миллионов аккумуляторов электромобилей выйдут из эксплуатации в следующем десятилетии. Что происходит с ними? | Окружающая среда

В богатых странах ожидается цунами электромобилей, поскольку автомобильные компании и правительства обещают увеличить их количество — по прогнозам, к 2030 году будет 145 метров дорог.Но хотя электромобили могут сыграть важную роль в сокращении выбросов, они также содержат потенциальную экологическую бомбу замедленного действия: их батареи.

По одной оценке, ожидается, что в период до 2030 года будет выведено из эксплуатации более 12 миллионов тонн литий-ионных батарей.

Не только эти батареи требуют большого количества сырья, включая литий, никель и кобальт — добыча которых имеет климатические условия. , воздействие на окружающую среду и права человека — они также угрожают оставить гору электронных отходов, когда достигнут конца своей жизни.

По мере того, как автомобильная промышленность начинает трансформироваться, по мнению экспертов, настало время спланировать, что произойдет с батареями по окончании их срока службы, чтобы уменьшить зависимость от добычи полезных ископаемых и сохранить материалы в обращении.

Вторая жизнь

Сотни миллионов долларов текут в стартапы и исследовательские центры по переработке отходов, чтобы выяснить, как разобрать разряженные батареи и извлечь ценные металлы в больших масштабах.

Но если мы хотим добиться большего с имеющимися у нас материалами, вторичная переработка не должна быть первым решением, — сказал Джеймс Пеннингтон, возглавляющий программу экономики замкнутого цикла Всемирного экономического форума.«Лучшее, что можно сделать вначале, — это продлить срок эксплуатации оборудования», — сказал он.

«В конце первого использования в электромобилях остается много емкости [батареи]», — сказала Джессика Рихтер, изучающая экологическую политику в Университете Лунда. Эти батареи могут больше не работать на транспортных средствах, но они могут иметь вторую жизнь, накапливая избыточную энергию, генерируемую солнечными или ветряными электростанциями.

Несколько компаний проводят испытания. Энергетическая компания Enel Group использует 90 аккумуляторов, снятых с производства автомобилей Nissan Leaf, в хранилище энергии в Мелилье, Испания, которое изолировано от национальной сети Испании.В Великобритании энергетическая компания Powervault в партнерстве с Renault оснастила бытовые системы накопления энергии устаревшими батареями.

Сотрудник устанавливает литий-ионный аккумулятор в систему тестирования в офисе Powervault в Лондоне. Фотография: Саймон Доусон / Bloomberg через Getty Images

Установление потока литий-ионных батарей от первой жизни в электромобилях до второй жизни в стационарных накопителях энергии даст еще один бонус: вытеснение токсичных свинцово-кислотных аккумуляторов.

Только около 60% свинцово-кислотных аккумуляторов используются в автомобилях, сказал Ричард Фуллер, возглавляющий некоммерческую организацию Pure Earth, еще 20% используются для хранения избыточной солнечной энергии, особенно в африканских странах.

Свинцово-кислотные батареи обычно служат всего около двух лет в более теплом климате, сказал Фуллер, так как из-за тепла они быстрее разлагаются, а это означает, что их нужно часто перерабатывать. Однако в Африке есть несколько предприятий, которые могут безопасно это сделать.

Вместо этого эти батареи часто треснуты и плавятся на заднем дворе. Процесс подвергает переработчиков и их окружение воздействию свинца, мощного нейротоксина, безопасный уровень которого неизвестен и который может повредить развитию мозга у детей.

Литий-ионные батареи могут предложить менее токсичную и более долговечную альтернативу для хранения энергии, сказал Фуллер.

Гонка за переработку

«Когда батарея действительно исчерпала свой ресурс, пора утилизировать ее», — сказал Пеннингтон.

Утилизация литий-ионных аккумуляторов имеет большой импульс. В своем отчете о воздействии, опубликованном в августе, Tesla объявила, что начала строительство мощностей по переработке отработанных батарей на своей фабрике Gigafactory в Неваде.

Nearby Redwood Materials, основанная бывшим техническим директором Tesla Дж. Б. Штробелем, которая работает в Карсон-Сити, штат Невада, в июле привлекла более 700 млн долларов и планирует расширить свою деятельность. Завод принимает разряженные батареи, извлекает ценные материалы, такие как медь и кобальт, а затем отправляет очищенные металлы обратно в цепочку поставок аккумуляторов.

Тем не менее, поскольку вторичная переработка становится все более распространенной, серьезные технические проблемы остаются.

Один из них — это сложные конструкции, которые необходимо использовать переработчикам, чтобы добраться до ценных компонентов.Литий-ионные батареи редко разрабатываются с учетом возможности вторичной переработки, сказал Карлтон Камминс, соучредитель Aceleron, британского стартапа по производству аккумуляторов. «Вот почему перерабатывающая компания борется. Они хотят выполнять свою работу, но они знакомятся с продуктом только тогда, когда он достигает их двери ».

Cummins и соучредитель Амрит Чандан устранили один недостаток конструкции: способ соединения компонентов. По словам Камминс, большинство компонентов свариваются друг с другом, что хорошо для электрического соединения, но плохо для вторичной переработки.

Батареи Aceleron соединяют компоненты с помощью зажимов, которые сжимают металлические контакты вместе. Эти соединения можно разжать и снять крепеж, что позволяет полностью разобрать или удалить и заменить отдельные неисправные компоненты.

Более простая разборка также может снизить риски безопасности. Неправильное обращение с литий-ионными батареями может привести к пожару и взрыву. «Если мы разобьем его на части, я гарантирую, что это никому не повредит», — сказал Камминс.

Изменение системы

Успех не гарантируется, даже если технические проблемы решены. История показывает, насколько сложно может быть создание хорошо функционирующих предприятий по переработке вторсырья.

Свинцово-кислотные аккумуляторы, например, подвергаются частой переработке, отчасти из-за требований законодательства — до 99% свинца в автомобильных аккумуляторах перерабатывается. Но когда они попадают на ненадлежащие предприятия по переработке, у них есть токсичная цена. Отработанные батареи часто попадают в переработчики на заднем дворе , потому что они могут заплатить за них больше, чем официальные переработчики, которым приходится покрывать более высокие эксплуатационные расходы.

Литий-ионные аккумуляторы могут быть менее токсичными, но их все равно придется сдавать на предприятиях, где их можно безопасно переработать. «Продукция имеет тенденцию течь по пути наименьшего сопротивления, поэтому вы должны сделать путь, который проходит по формальным каналам, менее устойчивым», — сказал Пеннингтон.

Законодательство может помочь. В то время как США еще не внедрили федеральную политику, предписывающую переработку литий-ионных аккумуляторов, ЕС и Китай уже требуют, чтобы производители аккумуляторов платили за установку систем сбора и переработки.Эти средства могут помочь субсидировать официальных переработчиков, чтобы повысить их конкурентоспособность, сказал Пеннингтон.

В декабре прошлого года ЕС также предложил радикальные изменения в правилах использования батарей, большая часть которых касается литий-ионных батарей. К ним относятся целевые уровни 70% для сбора аккумуляторов, 95% восстановления для кобальта, меди, свинца и никеля и 70% для лития, а также обязательные минимальные уровни переработанного содержимого в новых аккумуляторах к 2030 году — чтобы обеспечить наличие рынков для переработчиков. и защитите их от неустойчивых цен на сырьевые товары или изменения химического состава батарей.

«Они еще не в окончательной форме, но существующие предложения амбициозны», — сказал Рихтер.

Данные также могут помочь. ЕС и Global Battery Alliance (GBA), государственно-частное сотрудничество, работают над версиями цифрового «паспорта» — электронной записи для батареи, которая будет содержать информацию обо всем ее жизненном цикле.

«Мы думаем о QR-коде или устройстве обнаружения [радиочастотной идентификации]», — говорит Торстен Фройнд, возглавляющий инициативу GBA по паспорту батарей.Он может сообщать о состоянии и оставшейся емкости аккумулятора, помогая производителям транспортных средств направлять его для повторного использования или на предприятия по переработке. Данные о материалах могут помочь переработчикам ориентироваться в бесчисленном количестве химических элементов литий-ионных батарей. А когда переработка станет более распространенной, в паспорте также будет указано количество переработанного содержимого в новых батареях.

По мере того, как автомобильная промышленность начинает трансформироваться, настало время заняться этими проблемами, сказала Майя Бен Дрор, ведущий специалист по городской мобильности на Всемирном экономическом форуме.Деньги, вливаемые в сектор, предлагают «возможность гарантировать, что эти инвестиции будут вкладываться в устойчивые новые экосистемы, а не только в новый тип автомобилей», — сказала она.

Также стоит отметить, что экологичный транспорт выходит за рамки электромобилей, — сказал Рихтер. По ее словам, нельзя упускать из виду пешие прогулки, езду на велосипеде или общественный транспорт. «Важно помнить, что у нас может быть устойчивый продукт в неустойчивой системе».

Твердотельные батареи, напечатанные на 3D-принтере, конкурируют с литий-ионными

Сегодня, все еще работая в Google, мы сохраняем надежду.И мы счастливы сказать, что мы сделали несколько ошибок. В частности, возобновляемые источники энергии падают в цене быстрее, чем мы ожидали, и их внедрение превысило прогнозы, которые мы приводили в 2014 году.

Инженеры могут расширить масштабы зрелых технологий, таких как энергия ветра [1] и солнечная энергия [2]. Другие зарождающиеся технологии требуют значительных инноваций, например, водородные самолеты [3] и электродуговые печи для производства стали [4]. Чтобы противодействовать наихудшим непосредственным последствиям изменения климата, мы Крис Филпот

В нашей предыдущей статье речь шла о «прорывных» целевых ценах ( разработан в сотрудничестве с консалтинговой фирмой McKinsey & Co.), что может привести к сокращению выбросов в США на 55% к 2050 году. С тех пор цены на ветровую и солнечную энергию достигли целевых показателей, установленных на 2020 год, а цены на батареи — даже лучше, упав до диапазона, прогнозируемого на 2050 год. — ожидаемые ценовые тенденции в сочетании с дешевым природным газом привели к сокращению потребления угля в США вдвое. Результат: к 2019 году выбросы в США упали до уровня, прогнозируемого сценарием McKinsey на 2030 год — на десять лет раньше, чем предсказывала наша модель.

И благодаря этому прогрессу в декарбонизации производства электроэнергии инженеры ищут и находят многочисленные возможности для переключения существующих систем, основанных на сжигании ископаемого топлива, на электроэнергию с низким содержанием углерода.Например, электрические тепловые насосы становятся рентабельной заменой топочного топлива, а электрические автомобили дешевеют и растут в цене.

Однако даже при всем этом прогрессе мы все еще находимся на траектории серьезного изменения климата: К 2100 году повысится на 3 ° C. Многие страны не соблюдают сокращения выбросов, которые они обещали в Парижском соглашении 2015 года. Даже если бы каждая страна выполнила свое обещание, этого было бы недостаточно, чтобы ограничить глобальное потепление до 1,5 ° C, что большинство экспертов считает необходимым, чтобы избежать экологической катастрофы.Выполнение сегодняшних обещаний потребует резкого сокращения выбросов. Если этого массового сокращения выбросов не произойдет, что, как мы думаем, вероятно, потребуются другие стратегии, чтобы удерживать температуру в определенных пределах.

Приведенная стоимость энергии описывает затраты на строительство и эксплуатацию электростанций в течение срока их службы, измеряемые в долларах США за мегаватт-час. С 2009 года стоимость солнечной фотоэлектрической (PV) и ветровой энергии быстро снизилась. Цены на емкость аккумуляторов упали еще быстрее. Источник: BloombergNEF

Вот некоторые ключевые цифры: чтобы обратить вспять изменение климата, хотя бы частично, нам нужно снизить уровень углекислого газа в атмосфере до более безопасного порогового значения. 350 частей на миллион; в День Земли 2021 эта цифра составила 417 промилле. По нашим оценкам, достижение этой цели потребует удаления из атмосферы порядка 2 000 гигатонн CO 2 из атмосферы в течение следующего столетия. Это полное удаление необходимо как для поглощения существующего атмосферного CO 2 , так и для CO 2 , который будет выбрасываться, когда мы переходим к углеродно-отрицательному обществу (которое удаляет из атмосферы больше углерода, чем выделяет).

Наши начальные битвы в войне с изменением климата требуют, чтобы инженеры работали над многими существующими технологиями, которые можно масштабно масштабировать. Как уже было показано на примере ветряных, солнечных батарей и батарей, такое расширение масштабов часто приводит к резкому снижению затрат. В других отраслях промышленности для сокращения выбросов требуются технологические революции. Если вы поэкспериментируете со своим собственным набором методов смягчения последствий изменения климата, используя Интерактивный климатический инструмент En-ROADS, вы увидите, сколько вариантов вам нужно максимально использовать, чтобы изменить нашу текущую траекторию и достичь уровня 350 ppm CO 2 и глобального повышения температуры не более чем на 1.5 ° С.

Так что же делать инженеру, который хочет спасти планету? Даже когда мы работаем над переходом к обществу, основанному на безуглеродной энергии, мы должны серьезно относиться к секвестрации углерода, то есть к хранению CO. 2 в лесах, почве, геологических формациях и других местах, где он будет оставаться на месте. И в качестве временной меры в этот трудный переходный период нам также необходимо будет рассмотреть методы управления солнечным излучением — отклонение некоторого количества падающего солнечного света для уменьшения нагрева атмосферы.Эти стратегические направления потребуют реальных инноваций в ближайшие годы. Чтобы выиграть войну с изменением климата, нам также нужны новые технологии.

Мы надеемся, что необходимые технологии появятся в течение нескольких десятилетий. В конце концов, инженерам прошлого потребовались всего несколько десятилетий, чтобы спроектировать боевые машины, построить корабли, которые могли бы облететь земной шар, наладить повсеместную связь в реальном времени, ускорить вычисления более чем в триллион раз и запустить людей в космос и на Луну. 1990-е, 2000-е и 2010-е были десятилетиями, когда ветроэнергетика, солнечная энергия и сетевые батареи, соответственно, стали широко распространяться.Что касается технологий, которые определят грядущие десятилетия и позволят людям жить устойчиво и процветать на планете со стабильным климатом, то отчасти это зависит от вас. У инженеров есть над чем усердно работать. Вы готовы?

Прежде чем мы перейдем к техническим задачам , которые требуют вашего внимания, позвольте нам немного поговорить о политике. Климатическая политика имеет важное значение для инженерных работ по декарбонизации, поскольку она может привести к резкому падению затрат на новые энергетические технологии и переключению рынков на низкоуглеродные альтернативы.Например, к 2005 году Германия предлагала чрезвычайно щедрые долгосрочные контракты производителям солнечной энергии (примерно в пять раз дороже средней цены на электроэнергию в Соединенных Штатах). Этот гарантированный спрос дал толчок мировому рынку солнечных фотоэлектрических (PV) панелей, который с тех пор растет в геометрической прогрессии. Короче говоря, временные субсидии Германии помогли создать устойчивый глобальный рынок солнечных батарей. Люди часто недооценивают, насколько человеческая изобретательность может быть раскрыта, когда она продвигается рыночными силами.

Для достижения цели ограничения нагрева до 1,5 ° C, чистый CO 2 должны немедленно резко сократиться по сравнению с нашими текущими выбросами, как показано в строке A. Если выбросы уменьшатся еще через десять лет, как показано в строке B, тогда гораздо большее количество CO 2 нужно будет удалить. Источник: Отчет МГЭИК, «Глобальное потепление на 1,5 ° C»

Этот всплеск солнечной фотоэлектрической энергии мог произойти десятилетием раньше. К 1995 году все основные процессы были готовы: инженеры освоили технические этапы изготовления кремниевых пластин, диффузионных диодных переходов, нанесения металлических решеток на поверхности солнечных элементов, пассивирования поверхности полупроводника для добавления антиотражающего покрытия и ламинирования модулей.Единственным недостающим элементом была политика поддержки. Мы не можем позволить себе больше этих «потерянных десятилетий». Мы хотим, чтобы инженеры посмотрели на энергетические системы и спросили себя: какие технологии имеют все необходимое для масштабирования и снижения затрат, кроме политики и рынка?

Нобелевский лауреат по экономике Уильям Нордхаус в своей книге утверждает, что ценообразование на углерод играет важную роль в борьбе с изменением климата. Климатическое казино (Издательство Йельского университета, 2015). Сегодня цены на углерод применяются к примерно 22 процентам глобальных выбросов углерода.Крупный углеродный рынок Европейского Союза, который в настоящее время оценивает углерод выше 50 евро за тонну (61 доллар США), является основной причиной, по которой его авиакомпании, производители стали и другие отрасли в настоящее время разрабатывают долгосрочные планы декарбонизации. Но экономист Марк Жаккар отметил, что, хотя налоги на выбросы углерода наиболее эффективны с экономической точки зрения, они часто сталкиваются с огромным политическим противодействием. Поэтому пионеры климатической политики в Канаде, Калифорнии и других странах прибегли к гибким (хотя и более сложным) нормам, которые предоставляют отраслям разнообразные возможности для достижения целей декарбонизации.

Инженеры могут оценить простоту и элегантность ценообразования на углерод, но самый простой подход не всегда обеспечивает прогресс. Хотя мы, инженеры, не занимаемся разработкой политики, нам следует оставаться в курсе и поддерживать политики, которые помогут процветать нашей отрасли.

Сложные задачи по обезуглероживанию в изобилии для амбициозных инженеров. Их слишком много, чтобы перечислить в этой статье, поэтому мы выберем несколько избранных и отсылаем читателя к Project Drawdown, организации, которая оценивает влияние усилий по борьбе с изменением климата, для получения более полного списка.

Рассмотрим авиаперелеты. Это составляет 2,5 процента мировых выбросов углерода, и декарбонизация — достойная цель. Но вы не можете просто уловить выхлопные газы самолетов и закачать их под землю, да и инженеры вряд ли в ближайшее время разработают батарею с плотностью энергии реактивного топлива. Таким образом, есть два варианта: либо вытащить CO 2 непосредственно из воздуха в количествах, которые компенсируют выбросы самолетов, а затем спрятать его где-нибудь, либо переключиться на самолеты, которые работают на безуглеродном топливе, таком как биотопливо.

Инженеры упорно трудились, чтобы освоить шаги, необходимые для создания солнечных фотоэлектрических систем, но затем они потеряли десятилетие, ожидая поддержки политики, которая снизила цены, чтобы создать рынок. Мы не можем позволить себе больше потерянных десятилетий.

Одна интересная возможность — использовать водород в качестве авиационного топлива. Airbus в настоящее время работает над дизайном самолета с водородным двигателем, который, по ее словам, будет коммерчески использоваться в 2035 году. Большая часть сегодняшнего водорода явно вредна для климата, поскольку он производится из ископаемого газа метана в процессе, который выделяет CO 2 .Но производство чистого водорода — горячая тема для исследований, и 200-летний метод электролиза воды, в котором H 2 O расщепляется на кислород и водород, приобретает новый вид. Если низкоуглеродное электричество используется для электролиза, полученный чистый водород можно использовать для производства химикатов, материалов и синтетического топлива.

Политика, особенно в Европе, Япония и Австралия продвигают вперед исследования водорода. Например, Евросоюз опубликовал амбициозную стратегию в отношении 80 гигаватт мощностей в Европе и соседних странах к 2030 году.Инженеры могут помочь снизить цены; первая цель — достичь 2 долларов за килограмм (по сравнению с примерно 3 долларами до 6,50 долларов за килограмм сейчас), после чего чистый водород будет дешевле, чем сочетание природного газа с улавливанием и секвестрацией углерода.

Безопасный для климата водород также может привести к еще одному великому достижению: обезуглероживанию производства металлов. Каменный век уступил место железному веку только тогда, когда люди выяснили, как использовать энергию для удаления кислорода из металлических руд, встречающихся в природе.В Европе вырубили леса отчасти для того, чтобы предоставить древесный уголь для сжигания в тиглях, где мастера по металлу нагревали железную руду, поэтому это считалось экологической победой, когда они перешли с древесного угля на уголь в 18 веке. Сегодня, благодаря углеродному рынку Европейского Союза, инженеры пилотирование новых захватывающих методов удаления кислорода из металлической руды с использованием водородных и электродуговых печей.

Предстоит еще проделать большую работу по обезуглероживанию производства электроэнергии и производству чистого топлива.Во всем мире люди используют примерно один зеттаджоуль в год — это 10 21 джоулей в год. Удовлетворение этого спроса без дальнейшего содействия изменению климата означает, что нам придется резко ускорить внедрение источников энергии с нулевым выбросом углерода. Для обеспечения 1 ZJ в год только солнечными батареями, например, потребуется покрыть панелями примерно 1,6% площади суши в мире. Выполнение этого с помощью одной только ядерной энергии потребовало бы строительства трех 1-гигаваттных станций каждый день в период с настоящего момента до 2050 года.Ясно, что нам нужен ряд экономичных и экологически безопасных вариантов, особенно в свете значительных региональных различий в ресурсах.

Пока мы рассматриваем эти варианты, нам также необходимо убедиться, что эти источники энергии стабильны и надежны. Критически важные инфраструктуры, такие как больницы, центры обработки данных, аэропорты, поезда и очистные сооружения, нуждаются в круглосуточном электроснабжении. (Google, например, настойчиво стремится к безуглеродной энергии в режиме 24/7 для своих дата-центры к 2030 году.) Большинство крупных промышленных процессов, таких как производство стекла, удобрений, водорода, синтезированного топлива и цемента, в настоящее время рентабельны только тогда, когда заводы работают почти непрерывно и часто требуют высокотемпературного технологического тепла.

Чтобы обеспечить стабильную безуглеродную электроэнергию и технологическое тепло, мы должны рассмотреть новые формы ядерной энергетики. в Новая политика Соединенных Штатов и Канады поддерживает передовые разработки и лицензирование ядерной энергетики. Десятки передовых компаний, занимающихся делением ядерных материалов, предлагают инженерам множество интересных задач, таких как создание отказоустойчивого топлива, которое становится менее реактивным при нагревании.Другие возможности можно найти в разработке реакторов, которые рециркулируют отработавшее топливо для уменьшения количества отходов и потребностей в горнодобывающей промышленности или разрушают долгоживущие компоненты отходов с помощью новых технологий трансмутации.

Инженерам, которых тянет к действительно сложным заданиям, стоит подумать о ядерный синтез, где проблемы включают контроль плазмы, в которой происходит термоядерный синтез, и достижение чистой выходной электрической мощности. Соревнование этого десятилетия в области передовых технологий ядерной энергетики может дать победителей, которые воодушевят инвесторов, а новый раунд политики может подтолкнуть эти технологии вниз по кривой затрат, избегая потерянного десятилетия для передовой ядерной энергетики.

Водород может сыграть решающую роль в безуглеродной энергетической системе, поскольку возобновляемые источники энергии и атомная энергия обеспечивают большую долю электроэнергии. Водород можно использовать в качестве сырья для производства синтетического топлива, которое может заменить ископаемое топливо. Водород также можно использовать непосредственно в качестве топлива или сырья для декарбонизации промышленных процессов, что требует некоторой новой распределительной и промышленной инфраструктуры. Источник: Управление энергоэффективности и возобновляемых источников энергии США

Глобальный климат сохранение — идея, которую инженеры должны любить, потому что она открывает новые области и возможности карьерного роста.Климат Земли имеет разомкнутый цикл более 4 миллиардов лет; нам повезло, что резко колеблющийся климат нашей планеты был необычайно стабильным на протяжении 10 000 лет, когда возникла и процветала современная цивилизация. Мы считаем, что человечество скоро начнет обматывать контур управления климатом Земли, проектируя и внедряя контролируемые изменения, которые сохранят климат.

Основная причина сохранения климата — избежать необратимых изменений климата. Таяние ледникового покрова Гренландии могло поднять уровень моря на 6 метров, иначе безудержное таяние вечной мерзлоты может привести к выбросу парниковых газов, достаточных для дополнительного глобального потепления.Ученые согласны с тем, что продолжение неконтролируемых выбросов вызовет такие переломные моменты, хотя есть неуверенность в том, когда это произойдет. Экономист Нордхаус, применяя консервативный принцип предосторожности к изменению климата, утверждает, что эта неопределенность оправдывает более ранние и более масштабные климатические меры, чем если бы были точно известны пороговые значения критической точки.

Мы верим в активное удаление углекислого газа, потому что альтернатива слишком мрачна и слишком дорога.Некоторые подходы к удалению и связыванию углекислого газа технически осуществимы и в настоящее время судят. Другие, такие как удобрение океана водорослями и планктоном, вызвали разногласия, когда их пытались предпринять в ранних экспериментах, но нам также нужно узнать больше об этом.

В Рекомендация Межправительственной группы экспертов по изменению климата об ограничении потепления на уровне 1,5 ° C требует сокращения чистых глобальных выбросов почти вдвое к 2030 году и до нуля к 2050 году, но страны не делают необходимых сокращений выбросов.(Под чистыми выбросами мы понимаем фактические выбросы CO 2 за вычетом CO 2 , которые мы извлекаем из воздуха и улавливаем.) МГЭИК оценивает, что достижение целевой пиковой температуры 1,5 ° C и, со временем, выделение CO 2 с понижением до 350 частей на миллион фактически требует отрицательных выбросов более 10 Гт CO 2 в год в течение нескольких десятилетий — и это может потребоваться до тех пор, пока в атмосфере остаются клопы, которые продолжают выделять CO 2 .

С помощью инструмента моделирования климата En-ROADS любой может разработать сценарии решения проблемы изменения климата. В частично показанный здесь сценарий достигает целей ограничения выбросов и потепления. Это достигается за счет максимальных возможных изменений в энергоснабжении, достижений в области энергоэффективности и электрификации, а также повсеместного удаления и связывания углерода. Источник: En-ROADS

Инструмент En-ROADS, который можно использовать для моделирования воздействия стратегий смягчения последствий изменения климата, показывает, что ограничение потепления до 1.5 ° C требует максимального использования всех вариантов связывания углерода, включая биологические средства, такие как лесовосстановление, и новые технологические методы, которые еще не являются рентабельными.

Нам нужно изолировать CO 2 , частично, чтобы компенсировать деятельность, которая не может быть обезуглерожена. Цемент, например, имеет самый большой углеродный след из всех искусственных материалов, создавая около 8 процентов глобальных выбросов. Цемент производится путем нагревания известняка (в основном кальцита, или CaCO 3 ) для получения извести (CaO).При производстве 1 тонны цементной извести выделяется около 1 тонны CO 2 . Если бы все выбросы CO 2 от производства цемента улавливались и закачивались под землей по цене 80 долларов за тонну, по нашим оценкам, 50-фунтовый мешок (около 23 кг) бетонной смеси, одним из компонентов которой является цемент, будет стоить примерно на 42 цента больше. Такое изменение цен не остановит людей от использования бетона и не приведет к значительному увеличению затрат на строительство. Более того, газ, выходящий из дымовых труб на цементных заводах, богат CO 2 по сравнению с разбавленным количеством в атмосфере, что означает, что его легче улавливать и хранить.

Учет выбросов цемента будет хорошей практикой, поскольку мы готовимся к большему увеличению удаления 2000 Гт CO. 2 прямо из атмосферы в течение следующих 100 лет. В этом заключается одна из самых больших проблем века для ученых и инженеров. В недавней статье Physics Today стоимость прямого улавливания атмосферного CO 2 оценивалась в диапазоне от 100 до 600 долларов за тонну. Этот процесс является дорогостоящим, поскольку требует большого количества энергии: прямой захват воздуха включает нагнетание огромных объемов воздуха над сорбентами, которые затем нагреваются для высвобождения концентрированного CO 2 для хранения или использования.

Нам нужен ценовой прорыв в области улавливания и связывания углерода, который будет конкурировать с тем, что мы видели в ветроэнергетике, солнечной энергии и батареях. Мы оцениваем это в 100 долларов за тонну, удалив эти 2000 Гт CO. 2 На будет приходиться примерно 2,8 процента мирового ВВП за 80 лет. Сравните эту стоимость с потерями, связанными с переломным моментом в изменении климата, который никакие расходы не могут отменить.

В принципе, подземных скальных образований достаточно, чтобы хранить не только гигатонны, но и тератонны CO 2 .Но масштаб необходимого секвестрации и безотлагательная необходимость в нем требуют нестандартного мышления. Например, массовое и дешевое удаление углерода может быть возможным при помощи природы. Во время каменноугольного периода нашей планеты, 350 миллионов лет назад, природа улавливала столько углерода, что она уменьшила содержание CO 2 в атмосфере с более чем 1000 ppm до нашего доиндустриального уровня в 260 ppm (и при этом создала уголь). Механизм: растения развили волокнистый углеродсодержащий материал лигнин для своих стеблей и коры, за миллионы лет до того, как другие существа разработали способы его переваривания.

Теперь представьте, что океан поглощает и почти полностью перерабатывает около 200 Гт CO. 2 в год. Если бы мы могли предотвратить 10 процентов этого повторного выброса в течение 100 лет, мы бы достигли цели по секвестированию 2 000 Гт CO 2 . Возможно, какое-то существо в пищевой цепи океана может быть изменено, чтобы выделять органический биополимер, такой как лигнин, который трудно метаболизировать, который оседает на морском дне и связывает углерод. Фитопланктон быстро размножается, предлагая быстрый путь к огромным масштабам.Если наше наследие решения проблемы изменения климата — это несколько миллиметров неудобоваримых, богатых углеродом фекалий на дне океана, нас это устроит.

Наши первые битвы в войне с изменением климата требуют, чтобы инженеры работали над существующими технологиями, которые можно масштабировать. Но чтобы выиграть войну, нам потребуются и новые технологии.

Изменение радиационного воздействия — то есть отражение большего количества солнечного света в космос — можно использовать как временную и временную меру для ограничения потепления, пока мы не добьемся снижения уровня CO в атмосфере 2 .Такие усилия позволят избежать наихудших физических и экономических последствий повышения температуры и будут выведены из эксплуатации после того, как кризис пройдет. Например, мы могли бы уменьшить образование инверсионных следов от самолетов, которые задерживают тепло, и сделать крыши и другие поверхности белыми, чтобы отражать больше солнечного света. Эти две меры, которые могут снизить ожидаемое нами планетарное потепление примерно на 3 процента, помогут общественности лучше понять, что наши коллективные действия влияют на климат.

Есть более амбициозные предложения, которые отражали бы больше солнечного света, но есть много споров о положительных и отрицательных последствиях таких действий.Мы считаем, что наиболее ответственный путь вперед для инженеров, химиков, биологов и экологов — это проверить все варианты, особенно те, которые могут иметь значение в планетарном масштабе.

Мы не утверждаем, что знаем, какие технологии предотвратят мир-антиутопию, который теплее на 2 ° C. Но мы искренне верим, что мировые инженеры могут найти способы доставить десятки тераватт безуглеродной энергии, радикально обезуглерожить промышленные процессы, изолировать огромное количество CO. 2 , и временно отклонить необходимое количество солнечного излучения.Эффективное использование политики, поддерживающей достойные инновации, может помочь внедрить эти технологии в ближайшие три или четыре десятилетия, что позволит нам уверенно продвигаться по пути к стабильной и пригодной для жизни планете. Итак, инженеры, приступим к работе. Создаете ли вы машины, разрабатываете алгоритмы или анализируете числа, занимаетесь ли вы биологией, химией, физикой, компьютерами или электротехникой, у вас есть своя роль.

Мнения, выраженные здесь, принадлежат исключительно авторам и не отражают позицию Google или IEEE.

Новые соли поднимают планку развития литий-ионных аккумуляторов

Ученые надеются превратить эти новые анионы в термостойкие негорючие жидкие соли, что сделает их полезными для батарей, работающих при высоких температурах. Литий-ионные аккумуляторы

в ближайшем будущем будут играть доминирующую роль в электромобилях и других приложениях, но используемые в настоящее время аккумуляторные материалы не соответствуют требованиям безопасности и производительности и сдерживают следующее поколение высокопроизводительных аккумуляторов. батареи.

В частности, разработка электролита представляет собой ключевую задачу для более мощных аккумуляторов, подходящих для аккумулирования энергии и транспортных средств.

На химическом факультете Университета Монаш ученые под руководством профессора Дуга МакФарлейна и доктора Мега Кар, работающие с местной компанией Calix Ltd, придумали альтернативные решения этой проблемы с помощью новой химии.

«Соль лития, которая в настоящее время используется в ионно-литиевых батареях, представляет собой гексафторфосфат лития, который представляет опасность для возгорания и безопасности, а также токсичность», — сказал профессор Макфарлейн.

«В портативных устройствах меньшего размера этот риск может быть частично снижен. Однако в больших аккумуляторных батареях, таких как электромобили и системы хранения энергии на открытом воздухе, потенциальная опасность значительно возрастает. доска для рисования, но нельзя использовать гексафторфосфатную соль.«

В исследовании, опубликованном в Advanced Energy Materials , химики описывают новую литиевую соль, которая может преодолеть проблемы конструкции электролита и заменить гексафторфосфатную соль.

«Наша цель состояла в том, чтобы разработать безопасные соли фторборатов, на которые не повлияет воздействие, даже если мы подвергнем их воздействию воздуха», — сказал ведущий автор исследования доктор Бинаяк Рой, также из школы химии Университета Монаша.

«Основная задача, связанная с новой фторборатной солью, заключалась в том, чтобы синтезировать ее с чистотой аккумуляторного класса, которую мы смогли сделать с помощью процесса перекристаллизации», — сказал он.

«При установке в литиевую батарею с катодами из литиево-марганцевого оксида элемент проработал более 1000 циклов даже после атмосферного воздействия, что является невообразимым подвигом по сравнению со сверхчувствительной гексафторфосфатной солью».

По словам доктора Роя, в сочетании с новым катодным материалом в высоковольтной литиевой батарее этот электролит намного превосходит обычную соль. Более того, было обнаружено, что соль очень устойчива к алюминиевым токосъемникам при более высоких напряжениях, что требуется для батарей следующего поколения.

Исследование является результатом совместных усилий Учебного центра Австралийского исследовательского совета (ARC) по технологиям хранения энергии будущего (www.storenergy.com.au).

StorEnergy — это финансируемый из федерального бюджета учебный центр по трансформации промышленности, целью которого является обучение и повышение квалификации следующего поколения рабочих в энергетической отрасли Австралии и содействие сотрудничеству между отраслью и университетом.

Директор

StorEnergy, профессор Мария Форсайт из Университета Дикин, сказала: «Это замечательный пример того, как сотрудничество между отраслями и университетами, поддерживаемое государственным финансированием исследований, может поддержать австралийское лидерство в технологиях безопасных аккумуляторов следующего поколения».

Исследование проводилось в сотрудничестве с Calix Ltd., компанией из штата Виктория / Новый Южный Уэльс, которая производит высококачественные материалы для батарей на основе марганца из минералов, добываемых в Австралии. Исследование поможет Calix достичь своей цели по крупномасштабному производству литий-ионных аккумуляторов в Австралии с целью создания систем хранения энергии в масштабе энергосистемы для развертывания в Австралии.

Д-р Мэтт Бут-Хэндфорд, генеральный менеджер по исследованиям и разработкам в Calix, сказал: «Calix разрабатывает платформенную технологию для производства высокопроизводительных и недорогих аккумуляторных материалов в Австралии. Мы тесно сотрудничаем с нашими партнерами по исследованиям в Monash and Deakin. StorEnergy поддерживает разработку систем электролитов, совместимых с материалами электродов Calix. Превосходные электрохимические характеристики и стабильность, продемонстрированные новой системой электролита команды Monash в сочетании с электродным материалом Calix на основе оксида лития-марганца, являются захватывающей и важной вехой, которая приближает нас на один шаг вперед. сделать батареи с электродными материалами следующего поколения Calix коммерческой реальностью.

«В ближайшем будущем мы надеемся превратить эти новые анионы в термически стабильные негорючие жидкие соли, что сделает их полезными для аккумуляторов, работающих при высоких температурах», — сказал д-р Кар.

«В нынешних климатических условиях разработка таких аккумуляторных технологий, обеспечивающих безопасность и стабильность, будет иметь важное значение для реализации устойчивого энергетического решения в масштабе сети в Австралии».

Профессор по полимерам разработал более безопасный компонент для литиевых батарей
Дополнительная информация: Бинаяк Рой и др., Соли сложных эфиров бората лития для применения в электролитах в высоковольтных литиевых батареях нового поколения, Advanced Energy Materials (2021).DOI: 10.1002 / aenm.202101422 Предоставлено Университет Монаша

Ссылка : Новые соли поднимают планку в технологии литий-ионных аккумуляторов (2021 г., 16 августа) получено 23 августа 2021 г. с https: // физ.org / news / 2021-08-salt-bar-lithium-ion-battery.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

Новый ионно-натриевый аккумулятор CATL поможет уменьшить нехватку лития

Люди проходят мимо научно-исследовательского центра Contemporary Amperex Technology Ltd (CATL) в Ниндэ, провинция Фуцзянь, Китай, 16 декабря 2016 года.REUTERS / Jake Spring

ЛОНДОН, 3 августа (Рейтер) — Ожидается, что в ближайшие годы разработка новой натрий-ионной батареи китайским аккумуляторным гигантом CATL снизит давление на поставки лития, дефицит которых прогнозируется уже в ближайшие годы. 2022.

По мере того, как мир стремится сократить выбросы углерода, отчасти за счет увеличения производства электромобилей (EV), ожидается, что спрос на литий, кобальт и никель резко возрастет. подробнее

Опасаясь дефицита и высоких цен, автопроизводители и производители аккумуляторов работают над технологиями, альтернативными доминирующей литий-ионной батарее.

CATL (300750.SZ) заявила на прошлой неделе, что планирует построить к 2023 году цепочку поставок для производства натриево-ионных аккумуляторов, которые имеют более низкую плотность энергии, чем литий-ионные модели, но обладают быстрой зарядкой и более устойчивы к холоду. подробнее

Уильям Адамс, руководитель отдела исследований в области цветных металлов и аккумуляторов Fastmarkets, сказал, что планы CATL снизят давление.

«Это означает, что существует план Б, если вокруг недостаточно лития», — сказал он.

Fastmarkets ожидает, что в следующем году рынок лития переместится к дефициту со сбалансированного уровня в 2021 году, когда спрос увеличится более чем втрое до 1.12 миллионов тонн к 2025 году по сравнению с 2020 годом.

Натрий-ионные батареи не содержат литий, кобальт или никель, основные металлы, используемые в трех основных технологиях батарей: никель-кобальт-алюминий (NCA), никель-кобальт-марганец ( NCM) и литий-железо-фосфатные (LFP) батареи.

Цена на сырьевой литиевый сподумен в этом году выросла втрое после более высоких, чем ожидалось, продаж электромобилей в прошлом году, сообщает S&P Global Platts.

CATL не раскрыла подробностей о стоимости своей новой батареи, но отметила, что натрий является шестым по распространенности элементом на Земле.

Джордж Хеппель из консалтинговой компании CRU сказал, что новые батареи, вероятно, будут дешевле, учитывая относительное изобилие используемого сырья, но стоимость также будет зависеть от требуемой чистоты.

В то время как в краткосрочной перспективе ожидается, что литий-ионные батареи будут доминировать, другие технологии могут ограничить будущий спрос на литий.

«Вполне возможно, что ионно-натриевые батареи будут представлять собой очень экономичную химию аккумуляторов, которые могут начать вытеснять LFP в секторе электромобилей, что будет иметь большие долгосрочные последствия для спроса на литий», — сказал Хеппель.

Однако он сказал, что многое зависит от того, как CATL сможет улучшить удельную энергию своей новой батареи, как это было обещано на презентации на прошлой неделе.

Отчетность Эрика Онстада; редактирование Барбары Льюис

Наши стандарты: принципы доверия Thomson Reuters.

«Отец-основатель» литий-ионных аккумуляторов своим изобретением помог решить стойкую 40-летнюю проблему

«Отец-основатель» литий-ионных батарей использовал нейтроны SNS для подтверждения покрытия катодного материала (синий) оксидом ниобия без лития (светло-зеленый), что значительно снизило потери емкости в первом цикле и улучшило долговременную емкость.Предоставлено: Джилл Хемман / ORNL

.

В конце 1970-х годов М. Стэнли Уиттингем первым описал концепцию перезаряжаемых литий-ионных батарей, достижение, за которое он разделил Нобелевскую премию по химии 2019 года. Тем не менее, даже он не мог предвидеть сложных проблем материаловедения, которые возникнут, когда эти батареи станут источником питания мировой портативной электроники.

Одна постоянная техническая проблема заключается в том, что каждый раз, когда в устройство устанавливается новая литий-ионная батарея, до одной пятой ее энергоемкости теряется до того, как устройство можно будет зарядить в первый раз.Это верно независимо от того, установлен ли аккумулятор в ноутбуке, фотоаппарате, наручных часах или даже в новом электромобиле.

Причина — загрязнения, которые образуются на богатых никелем катодах — положительной (+) стороне батареи, через которую разряжается накопленная энергия.

Чтобы найти способ сохранить утраченную мощность, Уиттингем возглавил группу исследователей, в которую входили его коллеги из Государственного университета Нью-Йорка в Бингемтоне (SUNY Binghamton) и ученые из Департамента энергетики (DOE) в Брукхейвене (BNL) и Oak Риджские национальные лаборатории (ORNL).Команда использовала рентгеновские лучи и нейтроны, чтобы проверить, приведет ли обработка ведущего катодного материала — слоистого никель-марганцево-кобальтового материала под названием NMC 811 — оксидом ниобия без лития к более долговечной батарее.

Результаты исследования «Какова роль Nb в богатых никелем слоистых оксидных катодах для литий-ионных батарей?» появляются в ACS Energy Letters .

VULCAN разработан для исследований деформации, фазового превращения, остаточных напряжений, текстуры и микроструктуры.Грузовые рамы, печи, зарядные устройства для аккумуляторов и другое вспомогательное оборудование для измерений на месте и измерений с временным разрешением интегрированы в прибор. VULCAN — это времяпролетный дифрактометр на базе самого мощного в мире импульсного источника нейтронов на основе ускорителя. Он обеспечивает быстрое объемное картирование с объемом выборки 2-600 мм 3 и временем измерения минут для обычных инженерных материалов. В крайних случаях VULCAN может изучать кинетическое поведение за субсекундные временные рамки.Кредит: DOE

.

«Мы протестировали NMC 811 на слоистом оксидном катодном материале после того, как предсказали, что оксид ниобия, не содержащий лития, будет формировать наноразмерное покрытие из оксида лития-ниобия на поверхности, которое будет проводить ионы лития и позволит им проникать в материал катода», — сказал Уиттингем. в настоящее время является выдающимся профессором SUNY и директором Северо-восточного центра хранения химической энергии (NECCES), исследовательского центра DOE Energy Frontier, возглавляемого SUNY Binghamton.

Литиевые батареи

имеют катоды, изготовленные из чередующихся слоев лития и богатых никелем оксидных материалов (химические соединения, содержащие по крайней мере один атом кислорода), потому что никель относительно недорог и помогает обеспечить более высокую плотность энергии и большую емкость при более низкой стоимости, чем другие металлы. .

Но никель в катодах относительно нестабилен и поэтому легко вступает в реакцию с другими элементами, оставляя поверхность катода покрытой нежелательными примесями, которые уменьшают емкость аккумулятора на 10-18% во время его первого цикла заряда-разряда. Никель также может вызывать нестабильность внутри катодной структуры, что дополнительно снижает емкость накопителя в течение длительных периодов зарядки и разрядки.

SNS производит нейтроны с помощью системы на основе ускорителя, которая доставляет короткие (микросекундные) протонные импульсы к стальной мишени, заполненной жидкой ртутью, посредством процесса, называемого отколом.Затем эти нейтроны направляются на современные инструменты, которые предоставляют разнообразные возможности исследователям в широком диапазоне дисциплин, включая физику, химию, биологию и материаловедение. Кредит: DOE

.

Чтобы понять, как ниобий влияет на богатые никелем катодные материалы, ученые выполнили исследования дифракции нейтронов на порошке на дифрактометре инженерных материалов VULCAN в источнике нейтронов расщепления (SNS) ORNL. Они измерили нейтронограммы чистого NMC 811 и образцов, модифицированных ниобием.

«Нейтроны легко проникают в материал катода, чтобы выявить, где расположены атомы ниобия и лития, что дало лучшее понимание того, как работает процесс модификации ниобия», — сказал Хуэй Чжоу, менеджер аккумуляторного завода NECCES. «Данные по рассеянию нейтронов предполагают, что атомы ниобия стабилизируют поверхность, чтобы уменьшить потери в первом цикле, в то время как при более высоких температурах атомы ниобия вытесняют некоторые из атомов марганца глубже в материал катода, чтобы улучшить долговременное сохранение емкости.”

Результаты эксперимента показали снижение потерь емкости в первом цикле и улучшенное долгосрочное сохранение емкости более чем на 93% в течение 250 циклов заряда-разряда.

«Улучшения, наблюдаемые в электрохимических характеристиках и структурной стабильности, делают модифицированный ниобием NMC 811 кандидатом в качестве катодного материала для использования в приложениях с более высокой плотностью энергии, таких как электромобили», — сказал Уиттингем. «Комбинация покрытия из ниобия с заменой атомов марганца атомами ниобия может быть лучшим способом увеличения как начальной емкости, так и долгосрочного сохранения емкости.Эти модификации могут быть легко увеличены с использованием существующих многоступенчатых производственных процессов для материалов NMC ».

Уиттингем добавил, что исследование поддерживает цели Консорциума Battery500, межведомственной программы, возглавляемой Тихоокеанской северо-западной национальной лабораторией Министерства энергетики для Управления энергоэффективности и возобновляемых источников энергии Министерства энергетики. Программа работает над разработкой литий-металлических аккумуляторных элементов следующего поколения, обеспечивающих до 500 ватт-часов на килограмм по сравнению с текущим средним значением около 220 ватт-часов на килограмм.

Ссылка: «Какова роль Nb в слоистых оксидных катодах с высоким содержанием никеля для литий-ионных батарей?» Авторы: Fengxia Xin, Hui Zhou, Yanxu Zong, Mateusz Zuba, Yan Chen, Natasha A. Chernova, Jianming Bai, Ben Pei, Anshika Goel, Jatinkumar Rana, Feng Wang, Ke An, Louis FJ Piper, Guangwen Zhou и M. Stanley Whittingham , 18 марта 2021 г., ACS Energy Letters .
DOI: 10.1021 / acsenergylett.1c00190

Исследование проводилось при поддержке Управления энергоэффективности и возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США, Управления автомобильных технологий, а также использовались ресурсы Национального синхротронного источника света II (NSLS-II) компании BNL и источника нейтронов расщепления ORNL.

SNS и NSLS-II являются пользовательскими объектами Управления науки Министерства энергетики США.

Читайте также

Что делать, если грудничок не спит днем: советы по налаживанию режима сна

Антигистаминные препараты для новорожденных: лечение и профилактика аллергии у грудничков

Методика «Цветоник» М. Лазарева для музыкального развития детей

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *