Создан «вечный» аккумулятор, который можно заряжать раз в неделю

07 Декабря 2018 18:0207 Дек 2018 18:02 | Поделиться Батареи нового типа, в которых используются отрицательные ионы фтора, можно заряжать раз в неделю, а при экономичном использовании гаджетов – еще реже.

Литий больше не нужен

Группа ученых из Калифорнийского технологического университета под руководством лауреата Нобелевской премии 2005 г. по химии Роберта Граббса (Robert Grabbs) разработали новый вид аккумуляторных батарей, в которых в качестве основного вещества используется не литий, а фторид (химическое соединение фтора с другими элементами). По словам ученых, использование этого материала в мобильных аккумуляторах позволит заряжать смартфоны в восемь раз реже, чем сейчас.

Результаты своих исследований они отразили в статье, опубликованной в журнале Science.

В современных литий-ионных АКБ, применяемых в портативной электронике, в качестве так называемого «химического поршня» для проведения электрического заряда через контур используются положительно заряженные катионы лития Li2+. Когда аккумулятор полностью заряжен, катионы находятся в аноде и при подключении нагрузки (при включении смартфона, к примеру) начинают перетекать в анод, тем самым генерируя электрический ток. Это классический принцип работы элементов питания на литии, но Роберт Граббс с командой ученых пошли совсем другим путем.

Новые старые технологии

Химик Граббс в своей работе использовал достижения ученых, еще в 1970-х годах доказавших, что «химический поршень» может работать в обратном направлении – нужно лишь использовать отрицательно заряженные ионы, в том числе ионы фтора (F-). Но на тот момент этот процесс происходил только при нагреве аккумуляторных батарей до 150 градусов Цельсия, что делало технологию неприменимой в потребительской электронике.

В будущем этот до боли знакомый символ мы будем видеть очень редко

Роберт Граббс нашел способ обхода этого ограничения: он разработал вещество, растворяющее электролит и позволяющее анионам (отрицательно заряженным ионам) фтора смешиваться с электронами при комнатной температуре.

Технология за авторством Граббса и его коллег пока находится на ранней стадии разработки, и о серийном производстве аккумуляторов нового типа речь не идет. Тем не менее, ученые подчеркивают высокую степень значимости их работы для дальнейшего развития элементов питания мобильных устройств. К основным преимуществам АКБ на основе фторида ученые отнесли, помимо длительного удержания заряда, еще долговечность и надежность, что указывает на замедленные процессы деградации по сравнению с литий-ионными батареями и на низкую вероятность воспламенения при деформации или механическом воздействии. Для элементов питания мобильных устройств это очень важно – напомним, что всего два года назад компания Samsung выпустила смартфон Galaxy Note 7, ставший самым опасным за всю историю мобильных средств связи – его литиевый аккумулятор содержал заводской дефект, приводивший к спонтанным возгораниям или даже взрывам.

Существуют официально зафиксированные случаи получения травм и материального ущерба от сгоревшего Note 7.

Альтернатива фторидным аккумуляторам

Роберт Граббс – не единственный, кто стремится сделать аккумуляторы надежнее и долговечнее. В этом направлении работают многие крупные компании: к примеру, Microsoft в 2015 г. разработала прототип программно-конфигурируемой системы аккумуляторов, в состав которой входили несколько небольших АКБ, каждая из которых по своим химическим свойствам лучше подходит для решения той или иной задачи. Годом ранее ученые из США усовершенствовали традиционные литиевые батареи за счет своего рода защитного кожуха, окутывающего анод и представляющего собой сетку толщиной 20 нм из углеродных куполов. Решение позволило повысить надежность аккумуляторов и увеличить их емкость.

Как цифровые технологии в промышленности дополняют бизнес

Бизнес

Но дальше всех зашли китайцы – пока весь остальной мир разрабатывает технологии, они уже перешли непосредственно к производству элементов питания нового типа.

Cтартап Qing Tao начал выпуск твердотельных аккумуляторов, по всем основным параметрам превосходящих литиевые. Они легче, у них более высокая плотность энергии, и они не так зависят от изменения температуры воздуха. В производство твердотельных АКБ китайцы уже вложили €126 млн.

Как из литиевого аккумулятора сделать батарейку на 9 вольт, своими руками, для замены обычной Кроны.

Вашему вниманию предлагаю достаточно полезную штуку, а именно схему, которая позволяет получать из литиевого аккумулятора более высокие постоянное напряжение. Конкретно в этой статье я рассматриваю увеличитель напряжения до 9 вольт, который можно использовать для замены обычных 9-ти вольтовых батареек типа Крона. Ведь допустим такие батарейки при токе потребления более 10 мА могут работать всего около 30-100 часов, что в принципе достаточно мало. А стоимость их не так уж и мала. Но поскольку в наше время очень популярными и распространенными являются литиевые аккумуляторы, то почему бы самому не сделать такую вот аккумуляторную батарейку, которой будет хватать на гораздо больше времени, после чего аккумулятор нужно будет просто заново зарядить.

Предлагаемый вариант собран на основе дешевых, Китайских модулей, но работающих вполне хорошо. Ну, и одной простой самодельной схемы светодиодного индикатора разряда литиевого аккумулятора. Итак, для нашей аккумуляторной батареи на 9 вольт понадобится следующие компоненты:

1 » литиевый аккумулятор с подходящей емкостью;
2 » модуль контроля заряда аккумулятора Li-ion;
3 » модуль DC-DC преобразователя, повышающего напряжение;
4 » несколько электронных компонентов для схемы индикатора разряда.

Итак, допустим мы делаем аккумуляторную батарею для установки ее в обычный электронный мультиметр. Токи потребления у мультиметра относительно небольшие. Значит можно взять литиевый аккумулятор емкостью около 300-800 мА. Как известно, приемлемый диапазон заряда литиевых аккумуляторов колеблется в районе 3,5 вольт, что соответствует остаточному заряду около 10%, и 4,2 вольта, что соответствует 100% заряду батарей. Учтите, что литиевые аккумуляторы очень сильно не любят перезаряд и чрезмерный разряд. Они при этом очень быстро портятся и выходят из строя. Именно для защиты аккумуляторной батареи и нужны контроллеры и индикаторы заряда и разряда.

Чтобы безопасно заряжать свой литиевый аккумулятор нужно приобрести специальный модуль контроля заряда именно для аккумуляторов литиевого типа. Эти модули сейчас приобрести можно где угодно, и стоят они практически копейки. Их работа заключается в следующем. На них имеются гнезда для подключения обычного зарядного устройства от любого мобильного телефона. Также имеются и контакты, к которым припаиваются сами выводы аккумуляторов. Несмотря на то, что модули подключены параллельно батареям, они в ждущем режиме совсем не потребляют тока. Когда аккумулятор разряжен, мы просто к модуля контроля заряда подсоединить зарядное устройство, после чего на нем загорается красный светодиод. Это свидетельствует о процессе заряда литиевого аккумулятора. Когда заряд достигнет своего 100% уровня, то контроллер сам отключит подачу питания на батарею и при этом на модуле зажжётся синий светодиод.

Далее нам нужно приобрести для нашего устройства еще одни недорогой модуль, который будет увеличивать напряжение до нужных 9 вольт. Такой модуль называется MT3608. Приобрести его также не составит особого труда, он популярен и распространен. Стоит практически копейки. Этот модуль DC-DC преобразователя постоянного напряжения имеет следующие рабочие характеристики: на вход можно подавать постоянное напряжение величиной от 2 до 24 вольта, а на выходе можно получать любое постоянное напряжение в районе от 5 до 28 вольт. Максимальная сила тока на выходе до 2 ампер. То есть, этот модуль на будет увеличивать напряжение аккумулятора 3,5-4,2 вольта до нужных 9 вольт (хотя можно на нем накрутить и любое другое нужное напряжение, которое он может обеспечить).

В принципе для работы схемы аккумуляторной батарейки хватит и этих модулей. Но ведь нужно обезопасить свой литиевый аккумулятор и от чрезмерного разряда. И для этого мы должны спаять очень простую схему светодиодного индикатора разряда литиевого аккумулятора. Компоненты этой схемы подобраны таким образом, что когда напряжение на аккумуляторе снизится до 3,5 вольт (остаточный заряд в 10%), то зажжется сигнальный светодиод. Он и будет говорить о том, что уже пора начать зарядку литиевого аккумулятора нашей аккумуляторной батарейки. Схема индикатора разряда по цене обойдется также в копейки. Хотя большинство деталей у вас уже может иметься дома.

Поскольку повышающий модуль даже без нагрузки потреблять небольшой ток, да и светодиодный индикатор это делает, то аккумулятор будет постепенно разряжаться даже в нерабочее время. И чтобы этого не допустить, то желательно поставить обычный выключатель между аккумулятором и электронными модулями. Когда нужно, мы этим выключателем запускаем нашу аккумуляторную батарею, ну а в выключенном своем состоянии батарея если и будет иметь саморазряд, то он будет гораздо меньше, чем с включенными модулями.

Видео по этой теме:

P. S. Эту схему аккумуляторной батареи можно собрать даже в корпусе, размеры которого не превышают обычную батарейку на 9 вольт. Хотя если размеры не важны, то лучше поставить аккумулятор большей емкости. Хоть и увеличится размеры батарейки, но и по времени ее хватать будет на гораздо больше. В целом же по стоимости это устройство обойдется не намного дороже хорошей батарейки. Так что смысл в ее сборке есть. Уже многие пользуются такими аккумуляторными батарейками, которые обычно собираются своими руками из дешевых модулей.

Вред литиевых аккумуляторов: влияние на окружающую среду

Время прочтения: 5 мин

Дата публикации: 12-08-2020

Литиевые аккумуляторные батареи — это самый востребованный автономный источник питания на данный момент. В то время, как свинцово-кислотные АКБ главным образом используются в качестве автомобильных, литиевые заняли все остальные ниши. Фонарик, смартфон, ноутбук, современные системы резервного электропитания и даже электрокары — практически все использует в качестве источника энергии литиевые аккумуляторные батареи.

Когда речь идет об электромобилях, то их называют экологичными, ведь они не выбрасывают вредные газы в процессе работы. На самом деле все не так идеально, как хотелось бы. Вред от производства литиевых аккумуляторов для одного электрокара, в соответствии некоторым исследованиям, сопоставим с тем, что выбрасывает в атмосферу обычный автомобиль на двигателе внутреннего сгорания в течение нескольких лет. Не в последнюю очередь это связано с тем, насколько много элементов питания используется в автомобиле.

Так ли силен вред литиевых аккумуляторов для окружающей среды и стоит ли человеку что-то с этим делать? Попробуем кратко рассмотреть данный вопрос.

Как аккумуляторы влияют на окружающую среду

Вред АКБ для экологии удобно рассматривать на примере электромобиля по нескольким причинам. Во-первых, в электрокаре используется огромное количество аккумуляторов. Куда показательнее влияние тысяч батарей, установленных в одном автомобиле, чем какой-нибудь отдельный аккумулятор в смартфоне.

Во-вторых, пользу или вред «зеленых» технологий удобно рассматривать на фоне традиционных автомобилей. В-третьих, в электромобилях чаще всего используются наиболее распространенные модели литиевых аккумуляторов. К примеру, силовой блок Tesla model S состоит из более чем 7000 обычных аккумуляторов типоразмера 18650, а именно — Panasonic Li-ion NCR18650B.

 

Попробуем рассмотреть прямое и косвенное влияние литиевых АКБ на экологию и человека на примере автомобильной отрасли и докажем, что не все так однозначно. По крайней мере, при текущем уровне развития технологий.

Первым стоит рассмотреть вред от производства аккумуляторов. В первую очередь производство вредно для работников завода, где АКБ производится. В составе литиевых аккумуляторных батарей используется не один токсичный материал. Это, к примеру, кобальт, никель, бористый литий. Производство литий-ионных аккумуляторов является наиболее опасным, чем производство аккумуляторов других типов.

Далее начинается процесс эксплуатации аккумулятора. В процессе езды электромобиль не выделяет вредных газов, в отличие от ДВС, однако эти газы выделяет электростанция для производства электроэнергии. Так как наибольшая доля вырабатываемой энергии приходится на электростанции, сжигающие топливо (уголь, газ), то вред экологии можно назвать ощутимым. Тем не менее, даже при таком раскладе электромобиль будет по меньшей мере вдвое экологичнее. Это не в последнюю очередь связано с низким КПД двигателей внутреннего сгорания, который даже не достигает и 50%. Хотя, и у электрокаров КПД не идеальный, плюс аккумулятор подвержен саморазряду даже при отсутсвии нагрузки. Это как бензобак, который немного протекает. Энергетическая отрасль претерпевает серьезное развитие и все больший процент энергии вырабатывается за счет возобновляемых источников (солнце, ветер и вода). Вместе с этим, соответственно, снижается косвенный вред от эксплуатации аккумуляторов.

Наверное, наибольшей проблемой является конец жизненного цикла аккумулятора. Как уже упоминалось ранее, при производстве литиевых аккумуляторных батарей используются токсичные вещества, которые нельзя зарывать в землю.

Токсичные элементы негативно влияют на почву и ее обновление, а также попадают в грунтовые воды.

Стоит также заметить, что аккумуляторы опасны не только для экологии, но и для человека. Существует множество случаев самовозгорания аккумуляторов, которые могут привести к пожару. Чаще всего воспламенение связано с резким повышением температуры из-за замыкания электродов. К сожалению, далеко не всегда замыкание происходит из-за физического воздействия на аккумулятор. Причиной тому может стать техническая недоработка (многим известен случай массового возгорания смартфонов Samsung Galaxy Note 7) или сложные внутренние процессы в ходе старения.

Что мы можем сделать

Только из-за одних лишь электромобилей производство литиевых аккумуляторов растет огромными темпами. Является ли это проблемой и может ли человек что-то с этим делать? Каждый может внести небольшой вклад, отдавая батареи на утилизацию. Даже если речь идет об обычных аккумуляторах. Это поможет снизить процент вредных веществ, попадающих в почву.

Если мыслить более глобально, что нужно двигаться в двух направлениях: развивать технологию утилизации, а также технологию производства. Благодаря совершенствованию технологий утилизации, возможно, получится добиться почти нулевого выброса вредных веществ в почву.

Самым глобальным способом снижения вреда экологии является изобретение новых технологий сохранения энергии, которые будут и эффективнее, и менее токсичны. Работы в этом направлении ведутся активнейшие. Изобретение нового вида аккумулятора может перевернуть не только автомобильную отрасль, но и сферу мобильной электроники.

Какой можно подвести итог? Литиевые аккумуляторные батареи, безусловно, в одних сферах деятельности незаменимы, а в других — хороший и относительно экологичный аналог традиционных технологий. К сожалению, развитие отрасли производства аккумуляторов идет куда медленнее, чем другие сферы деятельности. Остается надеяться, что бум электромобилей станет поводом для открытия новых более экологичных и эффективных способов хранения энергии.

Ученые создали аккумулятор из графена, который заряжается в 60 раз быстрее обычного

Такая батарейка более безопасна для экологии и здоровья, а также стоит в разы дешевле литий-ионных аналогов.

Ученым, работающим в компании Graphene Manufacturing Group (Брисбен, Австралия) удалось создать графеновые алюминиево-ионные аккумуляторы, которые заряжаются до 60 раз быстрее, чем литий-ионные, а разряжаются в 3 раза медленнее.

Будь всегда в курсе событий вместе с телеграм-каналом Быстрый Фокус.

Об этом сообщает издание forbes.com.

Ученые утверждают, что новый тип батарей более безопасен, потому как не имеет верхнего предела в амперах, вызывающего самопроизвольный перегрев, более экологичен и легче утилизируются. Тестирование также показало, что аккумуляторы типа «таблетка» служат в три раза дольше, чем аналогичные литий-ионные.

GMG планирует вывести на рынок алюминиево-ионные графеновые аккумуляторны в конце этого или в начале следующего года, а выпуск модификаций для электромобилей запланирован на начало 2024 года.

Созданные на основе нанотехнологии, разработанной в Австралийском институте биоинженерии и нанотехнологий Квинслендского университета (UQ), новые батареи работают за счет атомов алюминия интегрированных в крошечные отверстия графеновых пластин. Во время испытаний ученые пришли к выводу, что такие ячейки имеют «выдающуюся производительность (149 мАч г-1 при 5 А г-1), превосходящую все ранее описанные катодные материалы AIB». По словам управляющего директора GMG Крейга Николя, именно благодаря сочетанию графена и алюминия делает батареи самыми мощными, надежными и быстро заряжающимися. Например, «таблетка» полностью заряжается менее чем за 10 секунд.

Составляющие графеновой батарейки [+–]

Утверждается, что новинка способна обеспечивать гораздо большую удельную мощность, чем привычные литий-ионные батареи, не имеет проблем с охлаждением и перегревом. Также для их создания не нужны дорогостоящие редкоземельные металлы.

«Пока проблем с температурой нет. Высока вероятность, что нам вообще не понадобится охлаждать эти аккумуляторы. Это поможет экономить до 20% энергии, которую литий-ионные автомобильные батареи тратят на охлаждение. Да и при низких температурах они тоже хорошо работали», — заявил Николь.

Крейг Николь считает, что в скором времени начнется массовое производство графеновых батарей. По размерам они будут подходить к любым уже существующим устройствам и электромобилям.

«Они будут той же формы и напряжения, что и нынешние литий-ионные элементы, или мы сможем придать им любую форму, которая потребуется», — подтвердил он.

Разработками в этой области занимаются Китайский технологический университет Даляня и Университет Небраски, Корнельский университет, Университет Клемсона, Университет Мэриленда, Стэнфордский университет, Департамена полимеров Чжэцзянского университета и промышленный консорциум European Alion. Однако в GMG не боятся конкуренции, потому что используют графен, полученный с помощью собственной плазменной технологии, а не из традиционных источников графита, и в результате плотность энергии аккумулятора от GMG в три раза превышает плотность энергии графеновой батареи, созданной в Стэнфордском университете. Сравните: алюминий-ионная стэнфордская технология с применением природного графита обеспечивает мощность 41,2 — 68,7 Вт/кг, в то время как устройство GMG обеспечивает мощность до 3000 Вт/кг. А все благодаря тому, что австралийские ученые нашли способ проделывать дыры в графене (т.е. создавать ячейки) с тем, чтобы помещать в них атомы алюминия как можно ближе друг к другу. За счет этого графен становится очень плотным и в итоге становится обладателем отличных электрохимических характеристик.

«Этот материал — SPG3-400, — демонстрирует исключительную обратимую емкость (197 мАч г-1 при 2 А г-1) и выдающуюся производительность», — заключил Крейг Николь.

Принцип работы новой технологии [+–]

Алюминиево-ионная технология имеет существенные преимущества и недостатки по сравнению с литий-ионной аккумуляторной технологией, которая сегодня используется почти в каждом электромобиле. Когда элемент перезаряжается, ионы алюминия возвращаются к отрицательному электроду и могут обмениваться тремя электронами на ион вместо ограничения скорости лития, равного только одному. Кроме того, использование ионно-алюминиевых элементов дает огромное геополитическое, ценовое, экологическое преимущество, поскольку в них практически не используются какие-либо экзотические материалы.

«90% закупок лития для международного производства осуществляется в Китае, а 10% — в Чили. Но с появлением новой технологии, у нас есть все необходимые материалы прямо здесь, в Австралии, что значительно удешевляет производство», — пояснил Николь.

GMG пока не заключила договоров о поставках с крупными производителями, однако в компании надеются, что их разработка понравится известным мировым брендам, таким как Apple. «Представьте только, что iPhone можно будет зарядить в считанные за секунды», — говорит директор компании.

В планах вывести на рынок батарейку-таблетку. Она будет стоить дешевле литий-ионных батареек, потому как литий подорожал с 1460 долларов США за метрическую тонну в 2005 году до 13 000 долларов США за тонну в 2021 году, в то время как цена на алюминий выросла с 1730 долларов США до 2078 долларов США за тот же период. Также алюминий безопаснее: родители могут не переживать, если ребенок вдруг проглотит графеновую батарейку, ведь алюминий не смертелен, в отличие от лития. .

Ранее мы сообщали о том, что шведские ученые изобрели невесомый аккумулятор из карбона. Батарея нового типа сможет качественно изменить гаджеты и электротранспорт.

Как сделать аккумуляторную батарею 9 В с зарядкой от USB

Батареи на 9 В не часто, но все же используются в различных игрушках, радиоприемниках, измерительных инструментах. Ресурс их не слишком долговечен. Чтобы постоянно не покупать данные элементы питания, можно сделать самому такую батарею с зарядкой от USB. Делается все из готового модуля и литьевого аккумулятора.

Понадобится

• Старая крона.
  
• Мини переключатель.
  
• Модуль зарядки-преобразователь — http://ali.pub/5duspx
  
  
• Литиевый аккумулятор 3,7 В — http://ali.pub/5dusue
  
  

Как сделать аккумуляторную батарею типа «Крона» с зарядкой от 5 В

Удаляем оплетку со старой батарейки.

Вскрываем корпус аккуратно при помощи острого скальпеля.

Внутренности утилизируем. Нам нужен сам пластиковый корпус с колодкой.

Размечаем корпус под разъем платы.

Вырезаем окно: сначала прожигаем паяльником, затем формуем острым скальпелем.

Припаиваем провода к плате. На ней есть все обозначения. От выхода преобразователя припаиваем сразу к колодке, а контакты от аккумулятора припаиваем к аккумулятор только через переключатель.

Проверяем работу мультиметром. При включенном переключателе, на колодке должно выходить 9 Вольт.

К светодиодам на плате, супер клеем, приклеиваем световод.

Вклеиваем плату в корпус.

В колодке делаем вырез под переключатель и отверстие под световод. Вклеиваем переключатель.

Приклеиваем колодку к корпусу. Световод откусываем.

Наша аккумуляторная батарейка 9 В типа «Крона» готова.

Можно поставить на зарядку.

Красный светодиод горит когда идет зарядка, зеленый — когда она завершена.
Теперь можно проверить на деле.


Переключатель служит для отключения преобразователя от аккумулятора, так как он даже в холостом режиме потребляет незначительный ток. И при длительном простое прибора где установлена батарея, его необходимо отключить.

Смотрите видео

Как утилизировать батарейки, не навредив экологии

Что происходит с батарейкой после того, как ее выбросили в мусорное ведро?

Батарейка, выброшенная в мусорное ведро, отправляется вместе с другими отходами на свалку. Разлагается она более 100 лет, загрязняя при этом более 20 м² земли и несколько сотен литров грунтовых вод, которые имеют большое значение для водоснабжения населенных пунктов и промышленных предприятий.

Как батарейка вредит здоровью человека?

Общеизвестно, что в отработанной батарейке целый ряд вредных для здоровья химических элементов: свинец, кадмий, никель, цинк, ртуть и другие тяжелые металлы. Попадая вместе с водой и едой в организм человека, эти токсины способны вызвать у человека ряд заболеваний — от нервных расстройств до онкологии.

Что можно сделать, чтобы минимизировать вред от батареек?

Безусловно, выбрасывать отработанные элементы питания нужно только в специальные контейнеры или специализированные пункты приема и ни в коем случае в мусорное ведро вместе с другими коммунальными отходами. Практически у каждого сотрудника ООО «ЦЭБ», например, в квартире есть свой домашний контейнер, который они сделали из пластиковой бутылки, банки или коробки, куда складируют использованные батарейки. Эти емкости должны быть закрытыми. По мере заполнения домашнего контейнера батарейки сдают в специальные пункты, откуда они отправляются на переработку.

Адреса пунктов сдачи батареек и аккумуляторов в муниципалитетах

Всего на данный момент на территории области функционирует 370 пунктов приема таких отходов: 138 организаций, управляющих многоквартирными домами и 232 пункта, расположенных на территориях муниципалитетов. Специализированные контейнеры для сбора батареек установлены в офисах ООО «ЦЭБ», а также в региональном департаменте ЖКХ.

Скачать список адресов пунктов приема отработанных ртутьсодержащих отходов можно по ссылке.

Информация о пунктах сдачи батареек и аккумуляторов также размещена на интерактивной карте Recyclemap.

Механизм обращения с отработанными источниками питания в Белгородской области

Вопрос сбора и утилизации отработанных источников питания регламентирован постановлением Правительства Белгородской области от 23.05.2016 г. № 166-пп:

1. Пункты приема ртутьсодержащих отходов и батареек работают в администрациях городских (сельских) поселений области и в управляющих организациях;
2. Ртутьсодержащие отходы и батарейки накапливаются отдельно от других видов отходов;
3. Пункты приема должны быть оснащены демеркуризационным комплектом для ликвидации ртутного загрязнения в случае повреждения;
4. Управляющие организации заключают договор на утилизацию ртутьсодержащих отходов со специализированными организациями, имеющими лицензию;
5. Органы местного самоуправления исполняют эти обязанности за счет средств местных бюджетов.

Как функционируют пункты приема ртутьсодержащих отходов и батареек в муниципалитетах области?

В сентябре 2019 года управление госжилнадзора Белгородской области проверило, как управляющие организации обеспечивают сбор ртутьсодержащих отходов. По итогам инспекции все требования соблюдены. За первое полугодие 2019 года граждане сдали более 13 тысяч ртутных ламп и порядка 190 кг батареек в специальные пункты приема.

Какие мероприятия проводятся для популяризации сдачи батареек в специализированные пункты приема?

В этом году Белгородская область присоединилась к федеральной акции по сбору отработавших батареек и аккумуляторов, которую организовали компания Duracell и челябинский завод «Мегаполисресурс». С 24 июня по 14 июля 2019 года в Белгороде стоял контейнер для сбора батареек и аккумуляторов. За это время белгородцы собрали более 490 кг батареек и аккумуляторов. В декабре 2019 года запланировано проведение акции по сбору батареек в образовательных учреждениях региона также совместно с Duracell.

Электромобилей все больше, а что с утилизацией батарей? | Экономика в Германии и мире: новости и аналитика | DW

На важнейших автомобильных рынках планеты нарастает бум электромобилей, многие государства активно стимулируют их продажи субсидиями и налоговыми льготами. Это делается главным образом ради защиты глобального климата и оздоровления окружающей среды. В то же время ключевой компонент таких автомобилей, аккумуляторные батареи (АКБ), содержат токсичные вещества и без надлежащей утилизации могут нанести немалый ущерб экологии. Судя по российским СМИ и соцсетям, в России сложилось устойчивое впечатление, что эта проблема мало кого волнует, в том числе в Европе.  

Массовая утилизация АКБ потребуется лишь в конце 2020-х

«Такое впечатление ошибочно, — заверил DW Вольфганг Бернхарт (Wolfgang Bernhart), автомобильный эксперт и старший партнер ведущей немецкой консалтинговой компании Roland Berger. — Просто в Европе, к примеру, пока еще слишком мало электромобилей и, соответственно, отработавших свой срок аккумуляторных батарей». Поэтому вопрос об их утилизации или рециклинге еще не оказался в фокусе общественного внимания.

Аккумуляторная батарея для электромобилей компании Daimler

По мнению эксперта, со всей остротой этот вопрос встанет в Европе не раньше 2028-2030 годов, ведь еще предстоит выработать свой ресурс аккумуляторным батареям тех электромобилей, которые в ближайшие два-три года в массовом порядке начнут поступать на немецкий и в целом европейский рынок.

Таким образом, Вольфганг Бернхарт исходит из того, что новейшие АКБ будут служить не менее 8 лет. Гарантию именно на такой срок (или на 160 000 километров пробега) получают, к примеру, покупатели электромобиля Volkswagen ID.3, серийное производство которого VW, крупнейший в мире автостроитель, начал в конце 2019 года. Так что время наладить рециклинг или даже полностью безотходное производство аккумуляторных батарей у европейцев еще есть.

Директива ЕС по батареям и аккумуляторам

Тем более, что «в Евросоюзе уже имеются четкие указания на этот счет», подчеркнул собеседник DW и указал на принятую еще в 2006 году и обновлявшуюся в 2008 и 2013 годах «батарейную и аккумуляторную директиву» ЕС под номером 2006/66/EG. Она пришла на смену директиве 1991 года, принятой еще Европейским экономическим сообществом, предшественником Евросоюза, и доработанной в 1993 году.

Немецкий супермаркет. Второй контейнер слева — для отработанных батареек и энергосберегающих ламп

Так что проблемой утилизации традиционных батарей и аккумуляторов, которые, попав просто на свалку, отравляют окружающую среду и грунтовые воды, Евросоюз занимается уже на протяжении почти трех десятилетий. И самый зримый результат этой работы — строгий запрет выбрасывать обычные батарейки вместе с бытовым мусором и выработавшаяся у широких слоев населения устойчивая привычка его соблюдать. Жители Германии, к примеру, чаще всего приносят их в супермаркеты, где установлены специальные контейнеры.

Частые пересмотры директивы говорят о том, что ее регулярно актуализируют в соответствии с развитием технологий. Вот и сейчас, по информации Вольфганга Бернхарта, ее вновь перерабатывают в Брюсселе с тем, чтобы в 1-м квартале 2020 года принять в новой редакции. Затем страны ЕС должны будут интегрировать ее в свои национальные законодательства. Эксперт ожидает, в частности, ужесточения нормы, согласно которой в повторное использование должна идти как минимум половина массы батареи.     

Рециклинг на заводе Volkswagen в Зальцгиттере

Отвечает за рециклинг АКБ, согласно директиве, тот, кто ввел их в оборот, стало быть — автостроительные компании. «Вот уже десять лет инженеры Volkswagen работают над тем, как нам вновь использовать сырьевые материалы. Речь, прежде всего, о кобальте, литии, марганце и никеле», — рассказывает топ-менеджер концерна Томас Тидье (Thomas Tiedje).

Производство аккумуляторных батарей на заводе Volkswagen в Зальцгиттере

На заводе VW в Зальцгиттере, где в 2019 году началось производство аккумуляторных батарей для электромобилей, в 2020 году стартует пилотный проект по их рециклингу. На первом этапе намечено утилизировать 1200 тонн в год — это порядка 3000 батарей, затем мощности будут постепенно наращиваться.

Volkswagen, как и Вольфганг Бернхарт, исходит из того, что большой наплыв отработанных АКБ начнется лишь к концу 2020-х годов. В настоящий момент VW повторно использует 53% содержащихся в них материалов, после ввода в действие установки в Зальцгиттере этот показатель должен вырасти до 72%. Амбициозная долгосрочная цель руководства концерна: превращать во вторичное сырье до 97% батареи. 

Никель и кобальт: безотходное производство для Audi e-tron

К безотходному производству стремится и автостроитель Audi, хотя пока только по двум металлам. В конце 2019 года компания объявила, что «свыше 90 процентов кобальта и никеля из аккумуляторных батарей для электромобиля Audi e-tron можно использовать повторно». Таков результат испытаний технологии, разработанной этой дочкой VW совместно с бельгийским специалистом в области рециклинга Umicore.

Электрический внедорожник Audi e-tron

После успешной тестовой фазы партнеры договорились с января 2020 года наладить замкнутый производственный цикл по кобальту и никелю: оба металла будут «добываться» из отслуживших аккумуляторных батарей и использоваться при производстве новых. «Audi уже с момента начала разработки своего первого полностью электрического автомобиля занимается вопросами его рециклинга», — подчеркивается в сообщении пресс-службы компании.

Umicore и Duesenfeld противостоят конкуренции из Китая

Audi выпускает электрический внедорожник e-tron на своем заводе в Брюсселе, где находится и штаб-квартира Umicore. Это сейчас, пояснил Вольфганг Бернхарт, единственная крупная европейская компания в сфере утилизации АКБ, остальные фирмы гораздо меньше.

Вольфганг Бернхарт

Например, немецкая Duesenfeld из Брауншвейга, утверждающая, что разработанная ею технология измельчения способна превратить во вторичное сырье до 85% отслужившего аккумулятора. «Мы осуществляем рециклинг без сжигания графита и электролита», — подчеркивает глава фирмы Кристиан Ханиш (Christian Hanisch). 

В отличие от сильно фрагментированного и (пока) не очень крупного европейского рынка рециклинга аккумуляторных батарей, указал в беседе с DW Вольфганг Бернхарт, китайская индустрия их утилизации значительно мощнее, а ее основу составляет целый ряд крупных компаний. Они выросли еще на переработке литий-ионных батарей из бытовой электроники, уже стали важными поставщиками вторсырья для местных производителей и сейчас все активнее занимаются батареями электромобилей, ведь широкое распространение легковых машин на электрической тяге началось в Китае раньше, чем в Европе, и их там уже существенно больше. 

Повторное использование материалов ради сырьевой безопасности 

В статье на сайте компании Roland Berger Вольфганг Бернхарт высказывает опасение, что европейцы, уже отставшие от азиатских конкурентов (не только Китая, но и Японии и Южной Кореи) в области производства АКБ для электромобилей, теперь рискуют оказаться в хвосте и в сфере их утилизации, а ведь это, убежден эксперт, один из «рынков будущего».

Молодой отрасли, конечно же, не помешала бы государственная поддержка в виде, скажем, быстрой интеграции новой редакции директивы ЕС в национальные законодательства, однако рыночные силы вполне способны и самостоятельно обеспечить развитие отрасли, считает Вольфганг Бернхарт.

Ведь рециклинг АКБ нужен не только из экологических, но и из экономических соображений: роль повторного использования редких материалов будет расти по мере их удорожания в условиях бума электромобильности. Немаловажную роль играет и сырьевая безопасность — следует избегать слишком большой зависимости от поставщиков, в том числе из стран Азии, Африки и Латинской Америки. 

В любом случае собеседник DW уверен: электромобилям с токсичными аккумуляторными батареями не грозит беспорядочное расползание по миру, как это происходит со старыми и зачастую аварийными автомобилями с двигателями внутреннего сгорания, которые гниют затем на свалках или где-нибудь в лесах.

В Китае уже введена строгая система маркировки и отслеживания АКБ, подчеркнул немецкий эксперт, этому примеру непременно должна и наверняка последует Европа. Да и вряд ли кто захочет вывозить старые и аварийные электрические автомобили в развивающиеся страны, в которых нет разветвленной системы их подзарядки.

Смотрите также:

• Какие электромобили можно купить в Германии в 2020 году

  Volkswagen ID.3: народный электромобиль

  Концерн под названием «народный автомобиль» начал продажи своего главного электромобиля для массового рынка. Он призван повторить легендарный успех VW Golf. По длине и ширине ID.3 соответствует этой модели, но несколько выше. Цена в базовой комплектации: почти 30 000 евро. Минус 9 000 евро скидка до конца 2021 года. Батареи трех размеров, самая мощная должна обеспечить пробег до 550 км.

• Какие электромобили можно купить в Германии в 2020 году

  Renault Zoe: лидер немецкого рынка

  Уже не первый год самый популярный в Германии электромобиль — родом из Франции. С осени 2019 Renault выпускает «полностью обновленный» вариант своего электрического бестселлера. Его теперь можно быстро подзаряжать постоянным током. В ФРГ базовая версия с дальностью пробега 300 км продается по прежней цене: от 22 000 евро. Zoe Life Z.E. 50 c более мощной батареей проезжает 395 км, но стоит 24 000.

• Какие электромобили можно купить в Германии в 2020 году

  Tesla Model 3: претендент на лидерство

  Культовый американский автостроитель начал поставлять в Германию свою модель среднего класса в 2019 году, и она сразу стала одним из двух лидеров продаж среди электромобилей. Версию Standard Range предлагают за 45-54 000 евро, полноприводная AWD Long Range с двумя электромоторами и дорогой комплектацией может стоить порядка 65-70 000.

• Какие электромобили можно купить в Германии в 2020 году

  BMW i3: испытанный ветеран

  Баварский автоконцерн начал выпускать эту модель в 2013 году, став немецким первопроходцем в деле электромобильности. С тех пор с конвейера сошли, в основном на экспорт, свыше 150 тысяч машин. В Германии i3 несколько раз был в тройке лидеров. Развивать дальше эту модель BMW не намерен, но и снимать с производства после семи лет тоже пока передумал: больно хорошо она продается за 38-42 000 евро.

• Какие электромобили можно купить в Германии в 2020 году

  Opel Corsa-e: электрический вариант

  Corsa вот уже четыре десятилетия — популярный в ФРГ бренд автомобиля малого класса. Осенью 2019 началось производство шестого поколения этой модели, и ее рекламирует Юрген Клопп — тренер футбольного клуба «Ливерпуль». В ролике он садится за руль именно электрического варианта, который компания Opel выпускает наряду с бензиновым и дизельным. Те стоят 14-18 000 евро, а электромобиль — почти 30 000.

• Какие электромобили можно купить в Германии в 2020 году

  Seat Mii electric: доступная малютка

  Свой первый электромобиль вывела на рынок испанская дочка Volkswagen. С Seat Mii, варианта VW up!, сняли бензиновый двигатель, и впредь малютку будут производить только с электрическим мотором. В компании считают, что для типично городского автомобиля дальность пробега в 260 км и 83 лошадиные силы вполне достаточно. Цена — от 20 650 евро. А если еще вычесть субсидии…

• Какие электромобили можно купить в Германии в 2020 году

  Nissan Leaf: недооцененный чемпион

  Японцы первыми разработали электромобиль для массового производства и с 2010 года выпустили уже свыше 400 тысяч машин, что сделало Nissan Leaf мировым чемпионом продаж. Однако в ФРГ, в отличие от США, Японии, Норвегии и Великобритании, эта модель особо популярной не стала, хотя и входила в Топ 10. Базовый вариант стоит сейчас от 37 000 евро, Leaf e+ с более мощной батарей — примерно 45 000.

• Какие электромобили можно купить в Германии в 2020 году

  Hyundai Kona Elektro: компактный SUV

  Южнокорейский концерн называет эту выпускаемую с 2018 года модель «первым полностью электрическим компактным SUV в Европе». На станциях быстрой зарядки вариант Kona Elektro Trend с двигателем мощностью 150 кВт (204 лошадиные силы) заряжается меньше, чем за час, а дальность пробега составляет при идеальных условиях до 449 км. Цена — от 42 000 евро, базовый вариант примерно на 8 000 дешевле.

• Какие электромобили можно купить в Германии в 2020 году

  Audi e-tron: настоящий внедорожник

  Свой первый электрический SUV дочка концерна Volkswagen выпустила в 2019 году для привычного ей премиум-сегмента — и сразу попала в ФРГ в Топ 10 среди электромобилей. Полноприводный Audi e-tron 50 quattro с двумя моторами стоит в Германии от 69 000 евро, включая 19% НДС, а 55 quattro мощностью 300 кВт и дальностью пробега до 430 км — от 81 000. Хотя часть можно вернуть с помощью субсидий.

• Какие электромобили можно купить в Германии в 2020 году

  Mercedes EQC: батарейный «Мерседес»

  Концерн Daimler выбрал для продвижения на рынке Германии своего первого внедорожника на электрической тяге рекламный слоган «Это «Мерседес» среди электромобилей». Его цена — от 71 000 евро, мощность — 300 кВт, дальность пробега при идеальных условиях — 470 км, максимальная скорость — 180 км в час. Полноприводный электромобиль с двумя моторами испытывали, в частности, в условиях шведской зимы.

• Какие электромобили можно купить в Германии в 2020 году

  Porsche Taycan 4S: «уцененный» спорткар

  Электромобиль за 185 000 евро? Именно столько стоит Taycan Turbo S. Осенью 2019 года его начала выпускать компания Porsche, прославившаяся спортивными автомобилями. Модель Turbo обойдется в 152 000. Чтобы несколько расширить круг потенциальных покупателей, прибавили третий вариант: Taycan 4S «всего» за 105 000. Его мощность — 390 кВт, дальность пробега — 330-400 км.

  Автор: Андрей Гурков

Как сделать батарею за 7 шагов

От смартфонов до электромобилей и даже от Tesla Powerwall — аккумуляторные батареи питают нашу современную жизнь. Но вы когда-нибудь задумывались, что находится внутри этих устройств, которые позволяют нам отправлять смайлики, ездить по городу и многое другое? Если это так, посетите Advanced Battery Facility в Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), одну из немногих экспериментальных лабораторий по производству аккумуляторов, открытых для публики.

Этот объект позволяет ученым тестировать все виды новых материалов, включая литий, серу, натрий и магний, чтобы продлить срок службы батарей и сохранить больше сока.Эти испытания помогают ученым из национальных лабораторий, университетов и промышленности найти более мощные и безопасные замены для самой распространенной на сегодняшний день перезаряжаемой батареи — литий-ионной батареи.

В Advanced Battery Facility ученые тестируют новые материалы, собирая из них экспериментальные батареи размером с сотовый телефон, которые называются «ячейками мешочка», потому что они заключены в герметичный пластиковый мешочек. Как и у полноразмерных батарей, каждая ячейка в пакете состоит из трех основных частей: двух электродов и электролита, разделяющего их.

Когда аккумулятор накапливает, а затем высвобождает электричество, крошечные заряженные частицы перемещаются вперед и назад между каждым электродом, попутно проходя через электролит. Этот процесс дает нам электричество, необходимое для просмотра видеороликов о кошках на наших телефонах, передвижения по городу на электромобилях и даже для хранения возобновляемой энергии, когда не светит солнце или не дует ветер.

Так как же собрать все эти детали? Вот семь наиболее важных этапов процесса, который занимает около двух недель:

1. Электродная суспензия: Порошки, содержащие активные материалы в электродах, такие как литий, смешиваются в большой емкости со связующими материалами, которые действуют как клей для создания того, что ученые называют суспензией или липким тестом.
2. Покрытие электрода: Затем суспензия распределяется на очень длинный (до нескольких сотен футов) кусок фольги, который медленно скатывается при высокой температуре (до 300 градусов по Фаренгейту), превращая электрод в твердое тело.
3. Штамповка электродов: Обожженный электродный рулон разрезается на более мелкие кусочки, которые помещаются под сверхострую прямоугольную матрицу. Резким движением матрица быстро надавливает на электродный лист и вырезает отдельный элемент электродной батареи.
4. Укладка электродов: Автоматическая машина использует всасывание для захвата и освобождения листов вырезанного электродного материала и обертывания изолирующим слоем между каждым листом. В результате получается пакет электродов размером с кредитную карту, который выплевывается из машины поворотом металлического рычага.
5. Изготовление пакетов: Специальный влагостойкий барьерный материал прессуется для создания прямоугольных форм. Пакет электродов вставляется в полученную форму для создания ячейки мешочка.
6. Впрыск электролита: Жидкий электролит впрыскивается в открытый аккумуляторный отсек.
7. Герметизация батареи: Пропитанный электролитом батарейный отсек запечатывается и помещается в вакуумную камеру, которая удаляет излишки воздуха изнутри сумки.

Пакеты-элементы затем подвергаются испытаниям, непрерывно заряжаются и разряжаются в камерах с контролируемой окружающей средой, которые имитируют экстремальные температуры от 20 до -140 градусов по Фаренгейту.

Если тестовый пакет-ячейка работает хорошо, его уникальное сочетание различных материалов может позволить всем нам продлить нашу жизнь дольше и лучше.Когда обнаруживается многообещающая смесь аккумуляторов, национальные лаборатории работают с частными компаниями над лицензированием технологии, которую компании развивают в продукт, который можно вывести на рынок, чтобы все мы могли купить и извлечь из него выгоду.

Примечание редактора: этот пост представляет собой сокращенную версию статьи, написанной Тихоокеанской северо-западной национальной лабораторией, одной из 17 национальных лабораторий Министерства энергетики. Узнайте больше о работе PNNL по хранению энергии в аккумуляторах для электромобилей и электросети.

Как мы доберемся до следующего крупного прорыва в области аккумуляторных батарей — Quartz

Вы читаете эксклюзивную статью Quartz, доступную всем читателям в течение ограниченного времени. Чтобы разблокировать доступ ко всем Quartz, станьте участником.

Электрические самолеты могут быть будущим авиации. Теоретически они будут намного тише, дешевле и чище, чем те самолеты, которые есть у нас сегодня. Электрические самолеты с дальностью полета 1000 км (620 миль) на одной зарядке могут использоваться сегодня для половины всех рейсов коммерческих самолетов, сокращая глобальные выбросы углерода в авиации примерно на 15%.

То же самое и с электромобилями. Электромобиль — это не просто более чистая версия своего кузена, извергающего загрязнение. По сути, это лучший автомобиль: его электродвигатель мало шумит и молниеносно реагирует на решения водителя. Зарядка электромобиля обходится намного дешевле, чем оплата эквивалентного количества бензина. Электромобили могут быть построены с небольшим количеством движущихся частей, что удешевляет их обслуживание.

Так почему же электромобили уже не повсюду? Это связано с тем, что батареи дороги, поэтому первоначальная стоимость электромобиля намного выше, чем стоимость аналогичной модели с бензиновым двигателем.И если вы не водите много, экономия на бензине не всегда компенсирует более высокие первоначальные затраты. Короче говоря, электромобили по-прежнему не экономичны.

Точно так же современные батареи не обладают достаточной энергией по весу или объему для питания пассажирских самолетов. Нам все еще нужны фундаментальные прорывы в аккумуляторных технологиях, прежде чем это станет реальностью.

Портативные устройства с батарейным питанием изменили нашу жизнь. Но есть еще много вещей, которые могут вывести из строя батареи, если бы только более безопасные, более мощные и энергоемкие батареи могли быть сделаны дешево.Никакой закон физики не исключает их существования.

И все же, несмотря на более чем два столетия тщательного изучения с момента изобретения первой батареи в 1799 году, ученые до сих пор не до конца понимают многие основы того, что именно происходит внутри этих устройств. Что мы действительно знаем, так это то, что, по сути, есть три проблемы, которые необходимо решить, чтобы батареи снова действительно изменили нашу жизнь: мощность, энергия и безопасность.

Не существует универсальной литий-ионной батареи

Каждая батарея имеет два электрода: катод и анод.Большинство анодов литий-ионных батарей изготовлено из графита, но катоды изготавливаются из различных материалов, в зависимости от того, для чего будет использоваться батарея. Ниже вы можете увидеть, как различные материалы катода меняют работу типов батарей по шести параметрам.

Проблема питания

В просторечии люди используют термины «энергия» и «мощность» как синонимы, но при разговоре об аккумуляторах важно различать их. Мощность — это скорость, с которой может высвобождаться энергия.

Батарея, достаточно сильная, чтобы запустить и удерживать в воздухе коммерческий самолет на расстояние 1000 км, требует большого количества энергии, чтобы высвободиться за очень короткое время, особенно во время взлета. Так что дело не только в накоплении большого количества энергии, но и в способности очень быстро извлекать эту энергию.

Решение проблемы энергоснабжения требует от нас заглянуть в черный ящик коммерческих аккумуляторов. Будет немного занудно, но терпи меня. Новые аккумуляторные технологии часто преувеличиваются, потому что большинство людей не уделяют должного внимания деталям.

Самая современная химия батарей, которая у нас есть в настоящее время, — это литий-ионные. Большинство экспертов сходятся во мнении, что никакая другая химия не сможет подорвать ионно-литиевый сплав в течение как минимум еще одного десятилетия или более. Литий-ионный аккумулятор имеет два электрода (катод и анод) с сепаратором (материал, который проводит ионы, но не электроны, предназначен для предотвращения короткого замыкания) в середине и электролит (обычно жидкий) для обеспечения обратного потока ионов лития и вперед между электродами. Когда батарея заряжается, ионы перемещаются от катода к аноду; когда батарея питает что-то, ионы движутся в противоположном направлении.

Представьте себе две буханки нарезанного хлеба. Каждая буханка — это электрод: левый — катод, а правый — анод. Предположим, что катод состоит из пластин никеля, марганца и кобальта (NMC) — одного из лучших в своем классе — и что анод состоит из графита, который по сути представляет собой слоистые листы или пластинки атомов углерода. .

В разряженном состоянии, то есть после того, как энергия была истощена, в буханке NMC между каждым ломтиком находятся ионы лития. Когда батарея заряжается, каждый ион лития извлекается из промежутков между пластинами и вынужден проходить через жидкий электролит.Сепаратор действует как контрольно-пропускной пункт, гарантирующий, что только ионы лития проходят через графитовую буханку. Когда батарея полностью заряжена, в катодной буханке не останется ионов лития; все они будут аккуратно зажаты между ломтиками графитового хлеба. По мере того, как энергия батареи расходуется, ионы лития возвращаются к катоду, пока на аноде не останется ни одного. Вот тогда аккумулятор нужно зарядить снова.

Емкость аккумулятора в основном определяется скоростью этого процесса.Но не так-то просто увеличить скорость. Слишком быстрое извлечение ионов лития из катодной буханки может привести к появлению дефектов на ломтиках и, в конечном итоге, к их разрушению. Это одна из причин, почему чем дольше мы пользуемся смартфоном, ноутбуком или электромобилем, тем хуже время автономной работы. Каждая зарядка и разрядка заставляют буханку немного ослабевать.

Над решением проблемы работают разные компании. Одна из идей — заменить слоистые электроды чем-то более прочным.Например, швейцарская компания по производству аккумуляторов Leclanché со 100-летней историей работает над технологией, в которой используется фосфат лития-железа (LFP), имеющий структуру «оливина», в качестве катода, и оксид титаната лития (LTO), который имеет Структура «шпинель», как анод. Эти структуры лучше справляются с потоком ионов лития в материал и из него.

В настоящее время Leclanché использует свои аккумуляторные элементы в автономных складских вилочных погрузчиках, которые можно полностью зарядить за девять минут. Для сравнения: лучший нагнетатель Tesla может зарядить автомобильный аккумулятор Tesla примерно до 50% за 10 минут.Leclanché также внедряет свои аккумуляторы в Великобритании для быстрой зарядки электромобилей. Эти батареи находятся на зарядной станции, медленно потребляя небольшое количество энергии в течение длительного периода времени из сети, пока они не будут полностью заряжены. Затем, когда автомобиль пристыковывается, аккумуляторы док-станции быстро заряжают аккумулятор автомобиля. Когда машина уезжает, аккумулятор станции снова начинает заряжаться.

Такие усилия, как шоу Лекланше, можно изменить с химическим составом батарей, чтобы увеличить их мощность. Тем не менее, никто еще не построил батарею, достаточно мощную, чтобы быстро доставить энергию, необходимую коммерческому самолету для преодоления гравитации.Стартапы стремятся строить самолеты меньшего размера (вмещающие до 12 человек), которые могли бы летать на относительно менее энергоемких батареях, или электрические гибридные самолеты, где реактивное топливо выполняет тяжелую работу, а батареи — инерцию.

Но на самом деле в этой сфере нет ни одной компании, которая могла бы даже приблизиться к коммерциализации. Кроме того, технический скачок, необходимый для полностью электрического коммерческого самолета, вероятно, займет десятилетия, — говорит Венкат Вишванатан, эксперт по аккумуляторным батареям из Университета Карнеги-Меллона.

Reuters / Alister Doyle

Двухместный электрический самолет, сделанный словенской фирмой Pipistrel, стоит у ангара в аэропорту Осло, Норвегия.

Энергетическая проблема

Tesla Model 3, самая доступная модель компании, стоит от 35 000 долларов. Он работает от батареи на 50 кВтч, что стоит примерно 8750 долларов, или 25% от общей стоимости автомобиля.

Это все еще удивительно доступно по сравнению с тем, что было не так давно. По данным Bloomberg New Energy Finance, средняя мировая стоимость литий-ионных аккумуляторов в 2018 году составляла около 175 долларов за киловатт-час, что ниже почти 1200 долларов за киловатт-час в 2010 году.

Министерство энергетики США подсчитало, что как только стоимость батарей упадет ниже 125 долларов за кВтч, владение и эксплуатация электромобиля будет дешевле, чем газовый автомобиль в большинстве частей мира. Это не означает, что электромобили победят автомобили с бензиновым двигателем во всех нишах и сферах — например, для грузовиков дальнего следования еще нет электрического решения. Но это переломный момент, когда люди начнут отдавать предпочтение электромобилям просто потому, что в большинстве случаев они будут иметь более экономичный смысл.

Один из способов добиться этого — увеличить удельную энергию батарей — втиснуть больше кВтч в батарейный блок, не снижая его цены. Теоретически это может сделать специалист по производству аккумуляторов, увеличив удельную энергию катода или анода, либо того и другого.

Катод с наибольшей энергоемкостью на пути к коммерческой доступности — это NMC 811 (каждая цифра в номере представляет собой соотношение никеля, марганца и кобальта, соответственно, в смеси). Это еще не идеально. Самая большая проблема заключается в том, что он может выдержать лишь относительно небольшое количество жизненных циклов заряда-разряда, прежде чем перестанет работать.Но эксперты прогнозируют, что отраслевые исследования и разработки должны решить проблемы NMC 811 в течение следующих пяти лет. Когда это произойдет, батареи, использующие NMC 811, будут иметь более высокую плотность энергии на 10% или более.

Однако увеличение на 10% — это не так уж и много в общей картине.
И хотя ряд инноваций за последние несколько десятилетий поднял плотность энергии катодов еще выше, аноды — это то, где открываются самые большие возможности в области плотности энергии.

Графит был и остается доминирующим анодным материалом.Он дешевый, надежный и относительно энергоемкий, особенно по сравнению с современными катодными материалами. Но он довольно слабый, если сравнивать его с другими потенциальными анодными материалами, такими как кремний и литий.

Кремний, например, теоретически намного лучше поглощает ионы лития в виде графита. Вот почему ряд производителей аккумуляторов пытаются добавить кремний вместе с графитом в свои анодные конструкции; Генеральный директор Tesla Илон Маск сказал, что его компания уже делает это в своих литий-ионных батареях.

Большим шагом была бы разработка коммерчески жизнеспособного анода, полностью сделанного из кремния. Но у этого элемента есть черты, которые затрудняют это. Когда графит поглощает ионы лития, его объем не сильно меняется. Однако кремниевый анод по тому же сценарию набухает в четыре раза по сравнению с исходным объемом.

К сожалению, вы не можете просто увеличить корпус, чтобы приспособиться к этому набуханию, потому что расширение разрушает то, что называется «межфазной границей твердого электролита», или SEI, кремниевого анода.

SEI можно рассматривать как своего рода защитный слой, который анод создает для себя, подобно тому, как железо образует ржавчину, также известную как оксид железа, для защиты от элементов: когда вы оставляете кусок недавно кованое железо снаружи, оно медленно вступает в реакцию с кислородом воздуха, образуя ржавчину. Под слоем ржавчины остальная часть железа не постигает та же участь и, таким образом, сохраняет структурную целостность.

В конце первого заряда батареи электрод образует собственный слой «ржавчины» — SEI, отделяющий неэродированную часть электрода от электролита.SEI предотвращает потребление электрода дополнительными химическими реакциями, гарантируя, что ионы лития могут течь как можно более плавно.

Но с кремниевым анодом SEI ломается каждый раз, когда батарея используется для питания чего-либо, и восстанавливается каждый раз, когда батарея заряжается. И во время каждого цикла зарядки расходуется немного кремния. В конце концов, кремний рассеивается до такой степени, что батарея перестает работать.

За последнее десятилетие несколько стартапов Кремниевой долины работали над решением этой проблемы.Например, подход Sila Nano состоит в том, чтобы заключить атомы кремния в наноразмерную оболочку с большим количеством пустого места внутри. Таким образом, SEI формируется снаружи оболочки, и расширение атомов кремния происходит внутри нее, не разрушая SEI после каждого цикла заряда-разряда. Компания, оцениваемая в 350 миллионов долларов, заявляет, что ее технология будет использоваться в устройствах уже в 2020 году.

Enovix, с другой стороны, применяет особую технологию производства, чтобы подвергнуть 100% кремний анод огромному физическому давлению, заставляя его поглощать меньше ион лития и, таким образом, ограничивает расширение анода и предотвращает разрушение SEI.У компании есть инвестиции от Intel и Qualcomm, и она также ожидает, что к 2020 году ее батареи будут в устройствах.

Эти компромиссы означают, что кремниевый анод не может достичь своей теоретической высокой плотности энергии. Однако обе компании заявляют, что их аноды работают лучше, чем графитовые. Третьи стороны в настоящее время тестируют аккумуляторы обеих фирм.

Tesla

В 2020 году новый Tesla Roadster должен стать первым электромобилем, который может проехать 1000 км (620 миль) без подзарядки.

Проблема безопасности

Все молекулярные переделки, предпринятые для накопления большего количества энергии в батареях, могут происходить за счет безопасности. С момента своего изобретения литий-ионный аккумулятор вызывает головные боли из-за того, как часто он воспламеняется. Например, в 1990-х годах канадская компания Moli Energy начала продавать литий-металлические батареи для использования в телефонах. Но в реальном мире его батареи начали воспламеняться, и Moli был вынужден отозвать свой заказ и, в конечном итоге, объявить о банкротстве. (Некоторые из его активов были куплены тайваньской компанией, и она до сих пор продает литий-ионные батареи под торговой маркой E-One Moli Energy.) Совсем недавно смартфоны Samsung Galaxy Note 7, которые были сделаны на современных литий-ионных батареях, начали взрываться в карманах людей. В результате отзыв продукции в 2016 году обошелся южнокорейскому гиганту в 5,3 миллиарда долларов.

Современные литий-ионные батареи по-прежнему сопряжены с рисками, поскольку в них почти всегда используются легковоспламеняющиеся жидкости в качестве электролита. Одна из прискорбных (для нас, людей) причуд природы заключается в том, что жидкости, способные легко переносить ионы, также имеют более низкий порог воспламенения.Одно из решений — использовать твердые электролиты. Но это означает другие компромиссы. Конструкция батареи может легко включать жидкий электролит, который контактирует с каждым битом электродов, что позволяет эффективно переносить ионы. С твердыми телами намного сложнее. Представьте, что вы бросаете пару кубиков в чашку с водой. А теперь представьте, что те же самые кости бросают в чашку с песком. Очевидно, что вода будет касаться гораздо большей площади поверхности игральных костей, чем песок.

До сих пор коммерческое использование литий-ионных батарей с твердыми электролитами ограничивалось приложениями с низким энергопотреблением, такими как датчики, подключенные к Интернету.Усилия по увеличению масштабов твердотельных батарей, то есть не содержащих жидкий электролит, можно в общих чертах разделить на две категории: твердые полимеры при высоких температурах и керамика при комнатной температуре.

Твердые полимеры при высоких температурах

Полимеры представляют собой длинные цепочки молекул, связанных вместе. Они очень распространены в повседневном использовании — например, одноразовые полиэтиленовые пакеты делают из полимеров. Когда некоторые типы полимеров нагреваются, они ведут себя как жидкости, но без воспламеняемости жидких электролитов, используемых в большинстве батарей.Другими словами, они обладают высокой ионной проводимостью, как жидкий электролит, без каких-либо рисков.

Но у них есть ограничения. Они могут работать только при температуре выше 105 ° C (220 ° F), что означает, что они не подходят, например, для смартфонов. Но их можно использовать, например, для хранения энергии от сети в домашних батареях. По крайней мере, две компании — SEEO (США) и Bolloré (Франция) — разрабатывают твердотельные батареи, в которых в качестве электролита используются высокотемпературные полимеры.

Керамика при комнатной температуре

За последнее десятилетие два класса керамики — LLZO (оксид лития, лантана и циркония) и LGPS (литий, германий, сульфид фосфора) — показали почти такие же хорошие проводящие ионы при комнатной температуре. как жидкости.

Toyota, а также стартап из Кремниевой долины QuantumScape (который в прошлом году привлек 100 миллионов долларов от Volkswagen) работают над внедрением керамики в литий-ионные батареи. Включение крупных игроков в пространство указывает на то, что прорыв может быть ближе, чем многие думают.

«Мы очень близки к тому, чтобы увидеть что-то реальное [с использованием керамики] через два или три года», — говорит Вишванатан из Карнеги-Меллона.

Закон о балансе

Аккумуляторы — это уже большой бизнес, и их рынок продолжает расти.Все эти деньги привлекают множество предпринимателей с еще большим количеством идей. Но стартап с батарейками — это трудная ставка — они терпят неудачу даже чаще, чем компании-разработчики программного обеспечения, которые известны своим высоким уровнем отказов. Это потому, что инновации в области материаловедения — это сложно.

К настоящему времени химики, занимающиеся аккумуляторными батареями, обнаружили, что, когда они пытаются улучшить одну характеристику (скажем, плотность энергии), им приходится идти на компромисс в отношении другой характеристики (например, безопасности). Такой баланс означает, что прогресс на каждом фронте был медленным и чреват проблемами.

Но если внимательнее присмотреться к проблеме — Йет-Мин Чан из Массачусетского технологического института считает, что сегодня в США в три раза больше ученых, занимающихся аккумуляторными батареями, чем всего 10 лет назад, — шансы на успех возрастают. Потенциал аккумуляторов остается огромным, но, учитывая предстоящие задачи, лучше относиться к каждому заявлению о новых аккумуляторах с хорошей долей скептицизма.

Что внутри батареи

Главная »Что внутри батареи?

Что внутри батареи?

Обычной батарее для выработки электричества необходимы 3 части:

• Анод — минус АКБ
• Катод — плюс батареи
• Электролит — химическая паста, которая разделяет анод и катод и преобразует химическую энергию в электрическую.

Внутри каждой батареи есть восстанавливаемые ресурсы, независимо от ее типа

Возьмем, к примеру, одноразовую щелочную батарею.Это неперезаряжаемые батареи, которые бывают AAA, AA, C, D, 9 вольт и различных размеров кнопочных элементов.

В среднем батарея на 25% состоит из стали (корпуса). Знаете ли вы, что сталь можно перерабатывать бесконечно? Наш механический процесс позволяет восстановить 100% стали в каждой батарее для повторного использования.

Аккумулятор на 60% состоит из таких материалов, как цинк (анод), марганец (катод) и калий. Все эти материалы — элементы земли. Эта комбинация материала на 100% восстанавливается и повторно используется в качестве питательного микроэлемента при производстве удобрений для выращивания кукурузы.

Остальные 15% по весу составляют бумага и пластик (этикетка и защитная крышка). Эти материалы отправляются на предприятие по переработке отходов для производства электроэнергии.

Утилизируя щелочные батареи в Raw Materials Company, вы можете быть уверены, что 100% каждой батареи используется повторно и никакие материалы не будут отправлены на свалку.

Вы живете в Онтарио, Канада?

Если да, то вы можете найти ближайший к вам магазин, который занимается переработкой батарей.Просто введите свой почтовый индекс или название города в наш инструмент поиска. Если вы живете за пределами Онтарио, обратитесь в местный муниципалитет, чтобы найти ближайший пункт переработки.

---

Спасибо

Мы получили ваше сообщение и вскоре ответим вам.

Быстрые ссылки

Для вашего удобства здесь приведены важные ссылки, связанные с этой страницей.

Знаете ли вы?

Свинцово-кислотные батареи — самые старые аккумуляторные батареи, которые все еще используются.В Канаде более 98% всех свинцово-кислотных аккумуляторов подлежат переработке.

Узнайте больше о нашей технологии и о том, как вместе мы превращаем отходы в ценный ресурс.

Прибывают

миллионов электромобилей. Что происходит со всеми дохлыми батареями? | Наука

Аккумуляторная батарея Tesla Model S — это произведение сложной инженерной мысли. Тысячи цилиндрических ячеек с компонентами, полученными со всего мира, преобразуют литий и электроны в энергию, достаточную для того, чтобы автомобиль мог снова и снова проехать сотни километров без выбросов из выхлопной трубы.Но когда батарея подходит к концу, ее зеленые преимущества исчезают. Если он попадает на свалку, его клетки могут выделять проблемные токсины, в том числе тяжелые металлы. А переработка батареи может быть опасным делом, предупреждает материаловед Дана Томпсон из Университета Лестера. Если врезаться слишком глубоко в ячейку Тесла или в неправильном месте, это может привести к короткому замыканию, возгоранию и выделению токсичных паров.

Это лишь одна из многих проблем, с которыми сталкиваются исследователи, включая Томпсона, которые пытаются решить возникающую проблему: как утилизировать миллионы аккумуляторов электромобилей (EV), которые производители планируют производить в течение следующих нескольких десятилетий.Современные аккумуляторы электромобилей «на самом деле не предназначены для вторичной переработки», — говорит Томпсон, научный сотрудник Института Фарадея, исследовательского центра, занимающегося проблемами аккумуляторов в Соединенном Королевстве.

Это не было большой проблемой, когда электромобили были редкостью. Но сейчас технологии набирают обороты. Несколько автопроизводителей заявили, что планируют отказаться от двигателей внутреннего сгорания в течение нескольких десятилетий, и отраслевые аналитики прогнозируют, что к 2030 году на дорогах появится не менее 145 миллионов электромобилей по сравнению с 11 миллионами в прошлом году.«Люди начинают понимать, что это проблема», — говорит Томпсон.

Правительства постепенно начинают требовать некоторого уровня переработки. В 2018 году Китай ввел новые правила, направленные на повторное использование компонентов аккумуляторных батарей электромобилей. Ожидается, что Европейский Союз завершит свои первые требования в этом году. В Соединенных Штатах федеральное правительство еще не выдвинуло требований по утилизации, но несколько штатов, в том числе Калифорния — крупнейший автомобильный рынок страны — изучают возможность установления своих собственных правил.

Соблюдение требований будет непросто. Батареи сильно различаются по химическому составу и конструкции, что затрудняет создание эффективных систем утилизации. Клетки часто скрепляются прочным клеем, что затрудняет их разборку. Это привело к возникновению экономических препятствий: производителям аккумуляторов зачастую дешевле покупать только что добытые металлы, чем использовать переработанные материалы.

Материаловед Дана Томпсон разрабатывает растворители для извлечения ценных металлов из отработанных автомобильных аккумуляторов.

Институт Фарадея

Более совершенные методы переработки не только предотвратят загрязнение, отмечают исследователи, но и помогут правительствам повысить свою экономическую и национальную безопасность за счет увеличения поставок основных металлов для батарей, которые контролируются одной или несколькими странами. «С одной стороны, [утилизация аккумуляторов электромобилей] — это проблема управления отходами. А с другой стороны, это возможность для производства устойчивого вторичного потока критически важных материалов», — говорит Гэвин Харпер, исследователь из Бирмингемского университета, изучающий электромобили. вопросы политики.

Чтобы ускорить переработку отходов, правительства и промышленность вкладывают деньги в целый ряд исследовательских инициатив. Министерство энергетики США (DOE) вложило около 15 миллионов долларов в центр ReCell для координации исследований ученых из академических кругов, промышленности и государственных лабораторий. Соединенное Королевство поддержало проект ReLiB, объединяющий несколько организаций. По словам Линды Гейнс, которая занимается переработкой аккумуляторов в Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США, по мере роста индустрии электромобилей потребность в прогрессе становится насущной.«Чем раньше мы сможем все сдвинуть с мертвой точки, — говорит она, — тем лучше».

Аккумуляторы

EV сконструированы как матрешки. Обычно основной пакет содержит несколько модулей, каждый из которых состоит из множества ячеек меньшего размера (см. Рисунок ниже). Внутри каждой ячейки атомы лития перемещаются через электролит между графитовым анодом и катодным листом, состоящим из оксида металла. Батареи обычно определяются металлами в катоде. Существует три основных типа: никель-кобальт-алюминий, фосфат железа и никель-марганец-кобальт.

В настоящее время переработчики в первую очередь нацелены на металлы в катоде, такие как кобальт и никель, которые стоят дорого. (Литий и графит слишком дешевы для переработки, чтобы быть экономичным.) Но из-за малых количеств металлы подобны иголкам в стоге сена: их трудно найти и восстановить.

Новая жизнь для отработанных ячеек

Ученые работают над тем, чтобы батареи для электромобилей, которые продаются сегодня, можно было бы переработать в 2030 году и в последующий период, когда тысячи батарей будут исчерпывать свой ресурс каждый день.Батареи для электромобилей бывают разных конструкций, но, как правило, они имеют общие компоненты. C. Bickel / Science

Чтобы извлечь эти иглы, переработчики используют два метода, известных как пирометаллургия и гидрометаллургия. Более распространенной является пирометаллургия, при которой переработчики сначала механически измельчают элемент, а затем сжигают его, оставляя обугленную массу из пластика, металлов и клея. На этом этапе они могут использовать несколько методов для извлечения металлов, включая дальнейшее сжигание. «Pyromet, по сути, обращается с батареей как с рудой» прямо из шахты, — говорит Гейнс.Гидрометаллургия, напротив, включает погружение аккумуляторных материалов в лужи с кислотой, в результате чего получается насыщенный металлами суп. Иногда два метода сочетаются.

У каждого есть свои преимущества и недостатки. Пирометаллургия, например, не требует, чтобы переработчик знал конструкцию или состав батареи, или даже то, полностью ли она разряжена, чтобы двигаться вперед безопасно. Но это энергоемко. Гидрометаллургия может извлекать материалы, которые нелегко получить путем сжигания, но может включать химические вещества, представляющие опасность для здоровья.А извлечение желаемых элементов из химического супа может быть трудным, хотя исследователи экспериментируют с соединениями, которые обещают растворять определенные металлы батареи, но оставляют другие в твердой форме, что облегчает их восстановление. Например, Томпсон идентифицировал одного кандидата, смесь кислот и оснований, называемую глубоким эвтектическим растворителем, которая растворяет все, кроме никеля.

Оба процесса производят большие отходы и выделяют парниковые газы, как показали исследования. И бизнес-модель может быть шаткой: большинство операций зависит от продажи рекуперированного кобальта, чтобы оставаться в бизнесе, но производители аккумуляторов пытаются отказаться от этого относительно дорогого металла.Если это произойдет, переработчики могут остаться пытаться продавать груды «грязи», — говорит материаловед Ребекка Сиз из Университета Пердью.

Круги вторсырья

Пирометаллургия превращает отработанные батареи в шлак, а гидрометаллургия растворяет их в кислотах. Оба нацелены на извлечение катодных материалов. Идеальным вариантом является прямая переработка, при которой катод восстанавливается в неповрежденном виде. Но для того, чтобы переработка была жизнеспособной, она должна быть конкурентоспособной по стоимости с добытыми материалами. C. Bickel / Science

Идеальным вариантом является прямая переработка, при которой катодная смесь останется нетронутой.Это привлекательно для производителей аккумуляторов, потому что переработанные катоды не потребуют тяжелой обработки, отмечает Гейнс (хотя производителям, возможно, все равно придется оживлять катоды, добавляя небольшое количество лития). «Так что, если вы думаете об экономике замкнутого цикла, [прямая переработка] — это меньший круг, чем пиромет или гидромет».

При прямой переработке рабочие сначала собирают электролит пылесосом и измельчают аккумуляторные элементы. Затем они удаляли связующие с помощью тепла или растворителей и использовали технику флотации для разделения материалов анода и катода.В этом случае материал катода напоминает детскую присыпку.

До сих пор эксперименты по прямой переработке были сосредоточены только на отдельных элементах и ​​дали всего десятки граммов катодного порошка. Но исследователи из Национальной лаборатории возобновляемой энергии США построили экономические модели, показывающие, что этот метод, если его масштабировать при правильных условиях, может быть жизнеспособным в будущем.

Однако для реализации прямой утилизации производителям батарей, переработчикам и исследователям необходимо решить множество проблем.Один из них — убедиться, что производители маркируют свои батареи, чтобы переработчики знали, с какими элементами они имеют дело, и имеют ли катодные металлы какую-либо ценность. Гейнс отмечает, что с учетом быстро меняющегося рынка аккумуляторов катоды, производимые сегодня, могут не найти будущего покупателя. Переработчики будут «возвращать динозавра. Никому не нужен продукт».

Техник из Германии проверяет разрядку сгоревшей литий-ионной батареи перед дальнейшей переработкой.

Вольфганг Раттай / Reuters

Еще одна проблема — это эффективное вскрытие открытых батарей электромобилей.Для демонтажа прямоугольного аккумуляторного отсека Nissan Leaf может потребоваться 2 часа. Ячейки Тесла уникальны не только своей цилиндрической формой, но и практически неразрушимым полиуретановым цементом, который удерживает их вместе.

Исследователи отмечают, что инженеры

могут создавать роботов, которые могут ускорить разборку батареи, но проблемы остаются даже после того, как вы попадете внутрь ячейки. Это связано с тем, что для удержания анодов, катодов и других компонентов на месте используется больше клея. Один из растворителей, который используют переработчики для растворения катодных связующих, настолько токсичен, что Европейский Союз ввел ограничения на его использование, а U.Агентство S. по охране окружающей среды определило в прошлом году, что это представляет «необоснованный риск» для рабочих.

«С точки зрения экономики, вам нужно разобрать… [и] если вы хотите разобрать, то вам нужно избавиться от клея», — говорит Эндрю Эбботт, химик из Университета Лестера и советник Томпсона.

Чтобы упростить процесс, Томпсон и другие исследователи призывают производителей электромобилей и аккумуляторов разрабатывать свои продукты с учетом вторичной переработки. По словам Эбботта, идеальный аккумулятор был бы похож на рождественский взломщик U.K. праздничный подарок, который открывается, когда получатель тянет за каждый конец, показывая конфету или сообщение. В качестве примера он приводит Blade Battery, литий-феррофосфатный аккумулятор, выпущенный в прошлом году китайским производителем электромобилей BYD. В его упаковке нет модульного компонента, вместо этого плоские ячейки хранятся непосредственно внутри. Ячейки легко снимаются вручную, без использования проволоки и клея.

Blade Battery появилась после того, как в 2018 году в Китае начали возлагать на производителей электромобилей ответственность за утилизацию аккумуляторов.В настоящее время в стране перерабатывается больше литий-ионных батарей, чем во всем остальном мире вместе взятых, в основном с использованием пиро- и гидрометаллургических методов.

Страны, переходящие к аналогичной политике, сталкиваются с рядом острых вопросов. Во-первых, говорит Томпсон, кто должен нести основную ответственность за переработку. «Это моя ответственность, потому что я купил [электромобиль], или это ответственность производителя, потому что они его сделали и продают?»

В Европейском Союзе один ответ может появиться позже в этом году, когда официальные лица опубликуют первое правило континента.Ожидается, что в следующем году группа экспертов, созданная штатом Калифорния, вынесет рекомендации, которые могут иметь большое влияние на любую политику США.

Между тем исследователи

Recycling говорят, что эффективная переработка аккумуляторов потребует большего, чем просто технологический прогресс. Высокая стоимость перевозки горючих предметов на большие расстояния или через границу может препятствовать переработке отходов. В результате размещение центров переработки в правильных местах может иметь «огромное влияние», — говорит Харпер.«Но возникнет настоящая проблема в системной интеграции и объединении всех этих различных фрагментов исследований».

Нельзя терять время зря, говорит Эбботт. «Чего вы не хотите, так это производства батареи, которую невозможно разобрать на 10 лет», — говорит он. «Этого еще не произошло, но люди кричат ​​и опасаются, что это произойдет».

Внутри батарей, питающих ваш автомобиль, телефон и многое другое

Батареи завоевали современный мир, не сильно изменившись.

Смартфон, для сравнения, имеет гораздо меньше общего с предшествующими ему мэйнфреймами. То же самое касается Tesla Model 3 и Ford Model T. Но литий-ионная технология, используемая в современных батареях, выдержала десятилетия экспоненциального роста — переход от гаджетов к электромобилям и даже порождение нескольких миллиардеров на этом пути — без серьезных изменений в его структура с тех пор, как Sony впервые коммерциализировала технологию в 1991 году.

Это не потому, что химики не пробовали.Просто разработка новых материалов, отвечающих промышленным стандартам, — очень сложная проблема.

Все батареи состоят из четырех компонентов: двух электродов (анода и катода), жидкого электролита, который помогает ионам перемещаться между электродами, и разделителя, предотвращающего прямой контакт электродов друг с другом и предотвращающего возгорание. Когда батарея заряжена, ионы текут от катода к аноду. Когда он разряжается, ионы меняют свой курс.

По мере того, как мир движется к быстрому сокращению выбросов парниковых газов, продолжается гонка за то, чтобы подключить к еще более мощным батареям больше вещей: электросети, грузовики, корабли и даже самолеты.Внутреннее пространство этой важной технологии, наконец, готово увидеть драматические изменения, и ряд скрытых стартапов обещает прорывы. QuantumScape Corp. утверждает, что создала новый материал для аккумуляторов, который позволил бы электромобилям путешествовать дальше и заряжаться намного быстрее, и в результате стартап имеет оценку, которая в последние недели колеблется от 13 до 20 миллиардов долларов, даже без каких-либо доходов от продаж. зрение. Его конкуренты, в том числе такие гиганты, как Samsung и Panasonic, также гонятся за батареями следующего поколения.

Прежде чем мы перейдем к аккумуляторному будущему, важно понять физическую эволюцию современной литий-ионной технологии. Миллиарды людей используют телефоны с более быстрой подзарядкой и автомобили с большей дальностью действия, но немногие из нас могут объяснить, что стоит за этими улучшениями. Это история хитростей: небольшая эффективность производства, небольшие улучшения в материалах и небольшой прирост производительности.

Батарея оценивается по тому, сколько энергии она заряжает. Этот ключевой фактор тесно связан со скоростью зарядки аккумулятора, количеством циклов заряда-разряда, которое он может выдержать, и безопасностью.Повышенная плотность энергии также может сделать его более подверженным возгоранию. Более высокая скорость перезарядки может сократить жизненные циклы.

В конечном счете, цена царит безраздельно. Это определяется тем, сколько энергии может хранить батарея, материалами, из которых она изготовлена, и толщиной электродного покрытия, которое можно нанести без ущерба для характеристик. Чем ниже стоимость, тем дешевле электромобиль.

За последнее десятилетие небольшие разработки привели к кумулятивному снижению стоимости литий-ионных батарей более чем на 90%.С учетом будущих разработок исследовательская группа BloombergNEF в области экологически чистой энергии ожидает, что в следующем десятилетии затраты снизятся вдвое. Электромобили уже сейчас конкурентоспособны во многих странах, если учесть затраты на топливо в течение срока службы автомобиля, но по мере дальнейшего снижения стоимости аккумуляторов даже ориентировочная цена электромобилей будет дешевле, чем цена альтернативы с бензиновым двигателем.

Возвращаясь к началу, литий-ионный аккумулятор был получен в исследовательской лаборатории Exxon еще в 1970-х годах. Металлический литий, из которого сделан анод батареи, продолжал вызывать пожары, что привело к тому, что Exxon отказалась от этой идеи.Академический интерес продолжался, и ученые из разных частей мира разрабатывали более безопасные материалы.

Американский ученый Джон Гуденаф обнаружил, что катоды, полностью сделанные из кобальта, более безопасны и хранят больше энергии. Это открытие принесло ему Нобелевскую премию по химии в 2019 году. Затем марокканский ученый Рашид Язами обнаружил, что использование графита, формы углерода, в качестве анода сделало литий-ионную батарею намного более стабильной и, таким образом, помогло ей прослужить дольше. Наконец, Кейдзабуро Тозава, глава аккумуляторного подразделения Sony в 1990-х годах, объединил все эти изобретения, чтобы создать первую коммерческую литий-ионную батарею.

Несмотря на то, что кобальт — дорогой металл, он оставался доступным для использования в небольших батареях ранних ноутбуков и мобильных телефонов. Но как только литий-ионные батареи начали использоваться в электромобилях, химики стали искать более дешевые металлы, такие как никель, марганец и даже железо.

Альтернативные металлы требуют тщательной оценки. Если дешевый металл означает непропорционально худшую производительность батареи, этого не пойдет. Благодаря миллионам экспериментов на рынке стали доминировать три типа катодов: оксиды никель-марганца-кобальта (NMC), оксиды никель-кобальта-алюминия (NCA) и фосфат лития-железа (LFP).

Давайте заглянем внутрь черного ящика, который представляет собой батарею, чтобы понять, как мы сюда попали и что будет дальше.

Сокращение выбросов кобальта с помощью NMC

Одной из первых альтернатив кобальту было использование никеля и марганца, которые превышали способность кобальта накапливать ионы лития. Но полностью потерять кобальт было невозможно. Химики узнали, что кобальт играет роль учителя в школе, дисциплинируя непослушные ионы лития во время их движения и гарантируя, что батарея продержится большее количество циклов заряда-разряда.

За несколько лет исследований химикам удалось увеличить толщину материала анода и катода, которые являются энергоносителями в батарее, по сравнению с другими деталями. Методом проб и ошибок они также нашли смесь, в которой можно было бы использовать меньше кобальта и больше никеля. Все это помогает накапливать больше ионов лития на единицу объема и массы, что помогает увеличить удельную энергию батареи. Это, в свою очередь, увеличивает запас хода автомобиля и снижает его ориентировочную цену.

Алюминий

прибывает с Tesla NCA

Вместо марганца Tesla и ее партнер по производству аккумуляторов Panasonic обнаружили, что алюминий также может выполнять эту работу. В то время это считалось более рискованным делом, чем химия NMC, но ставка окупилась для Tesla. NCA также был дешевле, чем NMC, потому что это еще больше снизило использование кобальта. Химия стала основой автомобилей Tesla, которые часто могут похвастаться превосходными характеристиками по сравнению с другими электромобилями.

Химики

Tesla также обнаружили, что добавление небольшого количества оксида кремния, например, перца в макароны, помогает уменьшить количество графита, необходимое для хранения того же количества ионов лития.Это помогло уменьшить вес батареи без ущерба для производительности и снизить ее стоимость. Модель 3 была выпущена с этим новым химическим составом и помогла Tesla создать самый доступный автомобиль на сегодняшний день.

Нет необходимости в кобальте с LFP

Конечная цель катодных материалов нынешнего поколения — полностью отказаться от использования кобальта. Первой попыткой этого было развитие химии LFP, которая сделала использование железа доступным по очень низким ценам. Батарея хорошо себя показала по большинству показателей, но она не могла хранить столько ионов лития, сколько могли бы иметь катоды с высоким содержанием кобальта.

Однако экономическая выгода была достаточно большой, чтобы батареи LFP нашли применение в дешевых электромобилях, таких как такси, и в электрических автобусах, которым требовались аккумуляторные блоки гораздо большего размера. Поскольку автобусы нуждаются в гораздо более крупных аккумуляторных батареях, а такси должно быть как можно более дешевым, это помогло сделать самый дешевый литий-ионный аккумулятор лучшим кандидатом для другого сегмента рынка электромобилей.

Более десяти лет работы помогли LFP-батареям улучшить характеристики, хотя они по-прежнему уступают химическим составам катодов на основе кобальта по плотности энергии.Основным преимуществом стало создание стабильной батареи с более толстыми материалами электродов. В сложной химической смеси, которая представляет собой батарею, небольшое увеличение толщины — немалый подвиг.

В будущее твердотельного оборудования

Конечная цель анода в литий-ионной батарее — использовать металлический литий. Поиски по созданию этого материала привели к плачевным результатам. Металлический литий нестабилен и склонен к возгоранию. Внутри аккумулятора при зарядке и разрядке он также имеет тенденцию образовывать тонкие нити, называемые дендритами, которые могут прорезать сепаратор и контактировать с катодом.Это вызывает короткое замыкание, а затем пожар. Пожары аккумуляторных батарей потушить гораздо труднее, чем возгорания двигателей внутреннего сгорания.

Химики-разработчики аккумуляторов десятилетиями пытались решить проблему дендритов. Одной из многообещающих попыток является использование твердого электролита для замены жидкости в системе и подавления образования дендритов. Эта технология получила новое название: твердотельный аккумулятор. Если твердотельные аккумуляторы появятся на рынке во второй половине этого десятилетия, как и ожидалось, они, вероятно, будут представлять собой большой скачок в производительности аккумуляторов, увеличивая диапазон электромобилей на 50% и сокращая время зарядки до 15. минут.

Поскольку металлический литий выглядит многообещающим анодным материалом, химики-химики снова ищут новые катодные материалы. Ожидается, что эти новые материалы, не содержащие кобальта, еще больше повысят плотность энергии, что может сделать батареи достаточно легкими для питания электрических самолетов. Литий-ионные аккумуляторы прошли долгий путь от лабораторий Exxon до переворота в автомобильной промышленности. И тем не менее, для мира это только начало использования потенциала этой экологически чистой технологии.

Исправление: В статье ранее говорилось, что Гуденаф был британцем. Он американец, но получил Нобелевскую премию в Оксфордском университете в Великобритании. носить. Аккумуляторные технологии стали не только повсеместными, но и позволили совершить огромное количество технологических прорывов — от увеличивающихся расстояний, на которые электромобили могут проезжать между зарядками, до возможности хранить возобновляемую электроэнергию, когда это необходимо.

В частности, эти две разработки — безэмиссионный электротранспорт и сетевые батареи, которые могут обеспечивать энергией дома, предприятия и города, даже когда источники энергии не генерируют, — могут стать двумя ключевыми аспектами перехода к будущему с нулевым выбросом углерода. Однако остаются вопросы относительно воздействия батарей на окружающую среду.

Что в наших батареях?

Батареи, которые мы используем каждый день, обычно сделаны из смеси металлов и химикатов, таких как свинец и кислота (которые содержатся в бензиновых и дизельных двигателях автомобилей), или цинка, углерода, никеля и кадмия, которые составляют некоторые из аккумуляторов. нашел в доме.

Еще есть литий-ионный. Смесь материалов для аккумуляторных батарей, используемых в мобильных телефонах, ноутбуках и, в последнее время, во многих электромобилях по всему миру.

Резкий рост производства литий-ионных аккумуляторов за последнее десятилетие привел к снижению цен на 85%, что, в свою очередь, способствовало использованию этих надежных аккумуляторов в электромобилях и крупномасштабных решениях по хранению энергии. Хотя это положительный шаг в развитии аккумуляторных товаров, он вызывает проблемы при обращении с использованными батареями.

Ежегодно только в Великобритании выбрасывается около 600 миллионов батарей — даже у аккумуляторных батарей есть срок годности. В то время как переработка позволяет безопасно извлекать сырье для использования в других отраслях промышленности и других продуктах, большинство выброшенных батарей остается гнить на свалках. Это может привести к просачиванию их химического состава в землю, вызывая загрязнение почвы и воды.

Для того, чтобы батареи любого размера сыграли свою роль в устойчивом будущем, необходим капитальный ремонт для предотвращения вредного уровня отходов батареи. .

Проблема с аккумулятором

Хотя количество перерабатываемых аккумуляторов увеличилось, в настоящее время ЕС ставит цель эффективности переработки литиевых аккумуляторов на уровне лишь 50% от общего веса аккумулятора.

Подключение положительной и отрицательной клемм на литиевой аккумуляторной батарее

Стандартные методы переработки достигают этого путем отделения и обработки пластика и проводки, составляющих основную часть аккумуляторной батареи, затем плавления и извлечения меди, кобальта и никеля, содержащихся в элементе, с выделением диоксида углерода в процессе.Важно отметить, что эти методы переработки обычно не восстанавливают алюминий, литий или какие-либо органические соединения в батарее, а это означает, что только около 32% материалов батареи можно использовать повторно. Отсутствие предприятий по переработке отходов в Великобритании означает, что отработанные батареи традиционно вывозятся за границу для обработки, что еще больше увеличивает выбросы.

Проблема не только в разряженных батареях, но и в их создании. Например, добыча лития может представлять опасность для здоровья шахтеров и наносить ущерб местным общинам и окружающей их среде.

В одном районе Чили 65% доступной воды используется для производства лития для батарей, а это означает, что воду для других целей, таких как поддержание сельскохозяйственных культур, необходимо завозить откуда-то еще, что сильно влияет на фермеров. Также существуют риски, связанные с утечкой загрязненной воды в водные ресурсы домашнего скота и людей, а также с нанесением ущерба почве и загрязнению воздуха.

В результате команды по всему миру работают над тем, чтобы сделать производство и переработку аккумуляторов более эффективным и экологически чистым.

Коммутационные материалы

Исследователи из Технологического университета Чалмерса в Швеции и Национального института энергетики в Словении разрабатывают алюминиево-ионную батарею. Этот тип батареи представляет собой многообещающую альтернативу литий-ионной из-за обилия алюминия в земной коре и его способности переносить заряды лучше, чем литий.

Разборка аккумулятора от электромобиля (EV)

Снижение материальных и экологических затрат, связанных с использованием алюминия вместо лития, может означать, что батареи, изготовленные с его использованием, могут предложить более доступное и крупномасштабное хранилище для возобновляемых источников энергии.

Хотя все еще необходимы дополнительные исследования для уменьшения размера и контроля температуры алюминиевых батарей, исследователи полагают, что они скоро начнут коммерческое производство и в конечном итоге смогут заменить свои литий-ионные предшественники.

В другом месте лаборатория IBM Research Battery Lab разрабатывает экологически безопасное решение для аккумуляторов, сделанное преимущественно из материалов, извлеченных из морской воды, состав, который позволит избежать проблем, связанных с производством литий-ионных элементов.

Хотя точное сочетание материалов не разглашается, Battery Lab утверждает, что новая концепция превзошла своего литий-ионного аналога по плотности энергии, эффективности, производственным затратам и времени зарядки.

Как избавиться от старого

Наряду с достижениями в разработке аккумуляторов, новые методы переработки также снижают воздействие аккумуляторов на окружающую среду.

Немецкая компания Duesenfeld вводит новшества в переработку литий-ионных аккумуляторов, используемых в электромобилях, с помощью нового инновационного процесса.

Батареи сначала разряжаются и разбираются на составные части. Металлы экстрагируются водным раствором, жидкие химические вещества испаряются и конденсируются, а сухие материалы измельчаются и отделяются, готовые к повторному использованию. Важно отметить, что метод Duesenfeld позволяет избежать сжигания, сокращая углеродный след при переработке литий-ионных батарей на 40% и позволяя утилизировать и повторно использовать более 90% материалов батарей в новых батареях.

Финская энергетическая компания Fortum изучает аналогичный процесс с возможностью вторичной переработки более 80% материалов для аккумуляторов, включая кобальт, марганец и никель.

В этом году Fortum подписал соглашение с немецкой химической компанией BASF и российской горно-металлургической компанией «Норникель» о создании в Финляндии кластера по переработке аккумуляторов электромобилей, работающего на возобновляемых источниках энергии. Цель состоит в том, чтобы создать «замкнутую» систему производства и переработки батарей, то есть материалы из переработанных батарей будут использоваться для изготовления новых батарей.

Хотя очевидно, что для снижения воздействия производства и переработки аккумуляторов на окружающую среду еще предстоит пройти долгий путь, продолжающееся развитие как аккумуляторов, так и технологий может проложить путь к более чистому, безопасному, с питанием от аккумуляторов, с нулевым выбросом углерода.

Аккумулятор для электромобиля

• Электромобили на дорогах Великобритании, включая фургоны, выделяют в среднем только четверть углекислого газа (CO ₂ ) обычных бензиновых и дизельных транспортных средств
• Если включить углерод, выделяемый при производстве их батареи, это вырастет только до , вдвое меньше CO ₂ обычного транспортного средства
• электромобилей, купленных в прошлом году, могут быть , излучающими , что составляет лишь десятую долю от бензинового автомобиля за четыре года , поскольку электроэнергетическая система продолжает декарбонизацию

Аккумулятор — Energy Education

Рисунок 1.Аккумулятор на 9 вольт. ^[1]

Батарея — это устройство, которое накапливает энергию, а затем разряжает ее, преобразовывая химическую энергию в электричество. Обычные батареи чаще всего производят электричество химическим путем с помощью одного или нескольких электрохимических элементов. ^[2] В аккумуляторах могут использоваться и использовались многие различные материалы, но наиболее распространенными типами аккумуляторов являются щелочные, литий-ионные, литий-полимерные и никель-металлогидридные. Батареи можно соединять друг с другом в последовательную или параллельную цепь.

Существует широкий выбор аккумуляторов, доступных для покупки, и эти разные типы аккумуляторов используются в разных устройствах. Большие батареи используются для запуска автомобилей, а батареи меньшего размера могут питать слуховые аппараты. В целом, батарейки чрезвычайно важны в повседневной жизни.

Ячейки

Ячейка — это единое целое, вырабатывающее электричество каким-либо способом. Вообще говоря, клетки генерируют энергию с помощью термического, химического или оптического процесса.

Типичная ячейка имеет два вывода (называемых электродами , ), погруженными в химикат (называемый электролитом ). Два электрода разделены пористой стенкой или перемычкой , которая позволяет электрическому заряду проходить с одной стороны на другую через электролит. Анод — отрицательный вывод — получает электроны, а катод — положительный вывод — теряет электроны. Этот обмен электронами позволяет развивать разность потенциалов или разность напряжений между двумя выводами, позволяя течь электричеству. ^[2]

В батарее может быть огромное количество ячеек, от одной ячейки в батарее AA до более 7100 ячеек в батарее Tesla Model S. ^[3]

Рисунок 2. Схема в разрезе, показывающая анатомию щелочной батареи. ^[4]

Первичные элементы («сухие»)

В этих элементах химическое взаимодействие между электродами и электролитом вызывает необратимые изменения, что означает, что они не подлежат перезарядке . ^[2] Эти батареи предназначены для одноразового использования, что приводит к большему количеству отходов от использования этих батарей, поскольку они утилизируются через относительно короткий период времени.

Вторичные элементы («мокрые»)

Этот тип элемента (именуемый мокрый из-за использования жидкого электролита) генерирует ток через вторичный элемент в направлении, противоположном направлению первого / нормального элемента. Это вызывает обратное химическое действие, которое эффективно восстанавливается, что означает, что они перезаряжаемые . ^[2] Эти батареи могут быть более дорогими в приобретении, но производят меньше отходов, поскольку их можно использовать несколько раз.

Емкость аккумулятора

Батареи часто оценивают по выходному напряжению и емкости.Емкость — это время работы конкретной батареи в Ач (ампер-часах) ^[2] :

Аккумулятора емкостью 1 Ач хватит на один час работы при 1 А.

Батареи можно также оценить по их энергоемкости. Это делается либо в ватт-часах, либо в киловатт-часах.

Батареи емкостью 1 кВтч хватит на один час при выработке 1 кВт электроэнергии.

Моделирование Пхет

Университет Колорадо любезно разрешил нам использовать следующую симуляцию Фета.Это моделирование исследует, как батареи работают в электрической цепи:

Для дальнейшего чтения

Для получения дополнительной информации см. Соответствующие страницы ниже:

Ссылки

1. ↑ Wikimedia Commons [Online], доступно: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Duracell_9_Volt_0849.jpg#/media/File:Duracell_9_Volt_0849.jpg
2. ↑ ^{2,0 2,1 2,2 2,3 2,4} R.T. Пэйнтер, «Основные электрические компоненты и счетчики», в Введение в электричество , 1-е изд.Нью-Джерси: Прентис-Холл, 2011, гл. 3, сек. 3.4, с. 89-94.
3. ↑ Technology Metals Research.

   No related posts.