Самодельные аккумуляторы большой емкости: Самодельный аккумулятор

Содержание

Мощная LI-ION батарея своими руками

Приветствую, Самоделкины!

Как-то недавно у автора возникла необходимость в мощной литий-ионной батареи. В данной статье подробно рассмотрим, как правильно собирается батарея из литий-ионных банок стандарта 18650, короче, все по канонам. Думаю, будет интересно. В данном случае будем собирать батарею с напряжением 14,8В.

Чтобы получить литиевую батарею с таким напряжением, необходимо соединить последовательно 4 банки лития 18650. Для увеличения общей емкости, параллельно к каждой банке подключим еще по точно такой же. Все аккумуляторные банки в данном примере были взяты из старой батареи ноутбука. Автору повезло, и он по дешевке купил полностью рабочий аккумулятор, где было аж 8 банок.

Аккумуляторы, кстати, одни из лучших в своем роде, panasonic как никак. Выбор б/ушных банок в данном проекте обусловлен только тем, что они просто были в наличии у автора. Если же вы планируете собирать аккумулятор для серьезных дел, например, для электротранспорта, естественно предпочтение отдавайте новым, и желательно высоко токовым аккумулятором.

Их можно конечно же купить в Китае, например, заказать на сайте магазина Aliexpress, но советую прежде всего изучить ассортимент в местных магазинах, так как цены иногда могут даже не отличаться от китайских или же отличие может быть незначительным и к тому же ждать посылку не придется.

Так как автор решил использовать не новые аккумуляторы, а б/у, поэтому все банки прошли этап полного заряда с последующим разрядом.

Данная процедура необходима для выявления емкости аккумуляторов. И тут автору повезло, так как при разрядном токе в 1А, емкость почти всех аккумуляторов составила около 2300 мАч. Внутреннее сопротивление банок тоже было примерно одинаковым. Таким образом, общая емкость нашего аккумулятора будет около 4600 мАч при напряжении 14,8В. А в полностью заряженном состоянии, это напряжение будет доходить до 16,8В.

Затем необходимо очистить контакты банок от следов старой контактной сварки. Для этого автор использовал свой любимый подручный инструмент, который он ранее изготовил собственными руками.

Собственно, для этой цели понадобился сам инструмент, а так же специальная насадка для него.

Ранее, специально этого проекта, с Китая были заказаны пластиковые ячейки, которые применяются для сборки батарей с применением аккумуляторных банок стандарта 18650. Извлекаем ячейки из пакета, и соединяем между собой следующим образом:

Далее в отверстия каждой пластиковой ячейки устанавливаем по одному литий-ионному аккумулятору стандарта 18650.

Аккумуляторные банки будем соединять друг с другом при помощи никелевых шин, которые имеют следующие параметры:

Сперва необходимо нарезать никелевую шины на небольшие кусочки нужной длины. Затем приступаем к сварке.

Автор сваривал банки своим самопальным аппаратом для контактной сварки, который он ранее изготовил именно для таких целей.

Подключаем сварочный аппарат, электроды прижимаем к никелевой шине в месте необходимого контакта. Тут все довольно просто, ничего сложного.

Установлены банки таким образом, чтобы контакты для тока съема (или плюс и минус батареи), выходили с одной стороны, что очень удобно.

Аккумуляторные банки дополнительно необходимо зафиксировать, то есть склеить между собой. Это нужно для того, чтобы исключить обрыв точек сварки в случае долговременных вибраций аккумулятора, в общем, чтобы банки не шатались. В идеале для этого желательно использовать герметик. Но автор решает воспользоваться термоклеем. Горячим клеем, при помощи специального клеевого пистолета, проклеиваем места между аккумуляторов.

Проверим, все ли сделали правильно. Для этого подключаем измерительный инструмент (в данном случае мультиметр) и проверяем наличие напряжения на выводах только что собранной аккумуляторной батареи.

Прибор показывает 16.66В. Так и должно быть.
Теперь возьмем контроллер заряда.

Он выполняет несколько функций, в их числе защита аккумулятора от коротких замыканий, а также перезаряда и глубокого разряда.

Данная плата как раз предназначена для 4 аккумуляторных банок. Ток срабатывания защиты данной платы составляет 30А. Автор его снизил в 2 раза (до 15А), убрав один из датчиков тока.

Теперь поработаем паяльником. Для начала необходимо облудить контакты нашей батареи.

Затем зачищаем провода от изоляции и их тоже необходимо облудить.

Далее размещаем плату контроллера заряда на подготовленное специально для нее место и припаиваем контакты аккумулятора к соответствующим контактам платы.

Затем приматывает плату контроллера заряда аккумулятора непосредственно к аккумуляторным банкам с помощью скотча.

Получаем единую конструкцию.

Проверяем.

Все работает. Вот так легко и просто можно собирать аккумуляторы с необходимым напряжением на выходе. Кстати, аккумуляторы, которые использовались автором, не являются высоко токовыми. Каждую банку можно разрядить токами не более 5А. С учетом того, что каждый блок у нас состоит из двух параллельно соединенных банок, получается, что такую аккумуляторную батарею можно разряжать током около 10А, а при 15 амперах уже сработает защита.

Благодарю за внимание. До новых встреч.

Видеоролик автора:

Источник (Source) Становитесь автором сайта, публикуйте собственные статьи, описания самоделок с оплатой за текст. Подробнее здесь.

Как сделать аккумулятор для солнечных батарей своими руками

В солнечной электроэнергетике для аккумулирования и хранения вырабатываемой панелями электрической энергии используются аккумуляторные батареи. Требования к ним зависят от типа, масштабов и особенностей работы электростанции. Важным условием является способность АКБ принимать заряд малыми токами, т.к. именно с такими характеристиками поступает электроэнергия от солнечных панелей.

В продаже представлены разные АКБ для солнечных электростанций: свинцово-кислотные модели глубокого разряда типа AGM, GEL, OPzS, OPzV, а также литий-ионные АКБ с различными материалами анода и катода. Лучшими на сегодня признаны Li-ion батареи на основе литий-железо-фосфата – LiFePO4.

Собирают такие аккумуляторы для солнечных батарей своими руками или на заказ, по предварительно выбранной схеме. Сборка производится из элементов питания в форме цилиндра, призмы или пакетов. Схема соединения элементов питания зависит от их технических характеристик и заданных параметров батареи. Для набора напряжения аккумуляторы соединяют последовательно, а для суммирования емкости и силы тока – параллельно.

Преимущества LiFePO4 аккумуляторов

Основные преимущества LiFePO4 аккумуляторов как накопителей энергии в системах альтернативной электроэнергетики – это:

минимальный саморазряд;
эффективное сохранение накопленной энергии;
надежность и эффективность в работе;
устойчивость к естественному старению и деградации;
стойкое сохранение первоначальной емкости;

большой срок службы – более 3000 полных циклов заряд-разряд;
устойчивость к глубоким разрядам;
большой диапазон рабочих температур – от -30 до +50 °С;
высокие значения допустимых токов заряда/разряда;
простота сборки;
термическая и химическая стабильность;
абсолютная безопасность эксплуатации;
отсутствие риска возгорания и взрыва, даже при экстремальном нагреве, разгерметизации или коротком замыкании;
высокая плотность энергии – большая емкость при компактных размерах и легком весе.

Из LiFePO4 аккумуляторов можно собрать батарею с любыми необходимыми характеристиками, для дома или другого объекта, для частного или промышленного использования.

Подготовка к сборке LFP батареи

Чтобы сделать аккумуляторную батарею для домашней электростанции на солнечных панелях или другого объекта, нужно вначале рассчитать подходящие параметры АКБ. По выходному напряжению накопительные АКБ должны соответствовать фотоэлементам солнечных батарей. По энергетической емкости они должны удовлетворять энергетические потребности оборудования в темное время суток (как минимум) или в течение суток. К расчетному значению уровня потребления энергии нужно прибавить 40% на потери в батарее и инверторе и еще 50%, если электростанция будет использоваться круглый год.

Номинальное напряжение элементов питания LiFePO4 составляет 3,2 В, а емкость зависит от используемого типоразмера «банок». При работе с LFP элементами помните, что их напряжение не должно выходить за рамки диапазона 2–3,75 В. Чтобы не допустить разбалансировки и преждевременного износа аккумуляторов в батарее, нужно использовать для сборки АКБ абсолютно одинаковые элементы – по типу, значениям емкости и напряжения, в идеале – даже по маркировке и дате выпуска.

Для контроля состояния аккумуляторов в АКБ обязательно нужна BMS плата. Она не допускает выхода рабочих параметров за допустимые пределы, отключает батарею от нагрузки при глубоком разряде и от источника питания при максимальном уровне заряда, а также выравнивает напряжение элементов и не допускает разбалансировки системы.

Изготовление самодельной LiFePO4 батареи

Краткая инструкция по сборке LFP батареи состоит из следующих шагов:

Подготовить необходимые компоненты – одинаковые аккумуляторы в достаточном количестве, BMS плату, провода, штекеры, мультиметр, зарядное устройство. В зависимости от метода соединения элементов – никелевую ленту, аппарат для точечной сварки, холдеры, соединительные перемычки, болты или другие приспособления.
Выбрать и утвердить схему сборки элементов – в зависимости от необходимых значений емкости и напряжения.
Соединить элементы по выбранной схеме, учитывая полярность.
Присоединить силовые и балансировочные провода.
Вывести разъемы.
Последовательно соединить балансировочные провода.
Герметизировать батарею термоусадочной трубкой большого диаметра.
Поместить ее в ящик, бокс или корпус с предварительно выполненными отверстиями для проводов.
Присоединить BMS плату.
Вывести провода. Присоединить разъемы.

Элементы для сборки литий-ионных АКБ есть в нашем интернет-магазине. Также мы изготавливаем LFP батареи с заданными характеристиками на заказ, с гарантией качества и доставкой по России.

Как сделать литиевый аккумулятор (батарею) своими руками

: Категория: Поддержка по аккумуляторным батареям; Опубликовано 15. 04.2016 19:45; Автор: Abramova Olesya

Первым этапом создания литий-ионного аккумулятора является определение требований к значению напряжения и необходимому времени работы. Затем уточняются характеристики нагрузки, окружающей среды, габаритные размеры и вес. У современных портативных устройств будут повышенные требования к толщине аккумулятора, поэтому предпочтительным будет выбор призматического или даже бескорпусного форматов. Если же толщина не будет определяющим фактором, то выбор цилиндрических элементов типоразмера 18650 в качестве структурных частей позволит обеспечить более низкую стоимость и лучшую производительность (с точки зрения удельной энергоемкости, безопасности и долговечности). (Смотрите также BU-301a: Разнообразие форм электрических батарей).

Большинство аккумуляторов, используемых в медицинском оборудовании, электроинструменте, электровелосипедах и даже электромобилях, используют элементы типоразмера 18650. Казалось бы, использование этого цилиндрического элемента не особо практично из-за большого занимаемого им объема, но его сильные стороны, такие как развитая и массовая технология производства, а также низкая стоимость ватт-часа утверждают обратное.

Как уже говорилось выше, цилиндрическая форма элемента не является идеальной, поскольку она приводит к образованию пустого пространства в многоэлементных системах. Но если рассматривать вопрос с точки зрения необходимости охлаждения, то этот недостаток превращается в преимущество. К примеру, элементы типоразмера 18650 используются в электромобиле Tesla S85, где их суммарное количество достигает 7000 штук. Эти 7000 элементов формируют сложную аккумуляторную систему, где используется и последовательное соединение для увеличения напряжения, и параллельное – для увеличения силы тока. В случае выхода из строя одного элемента в последовательном соединении потеря мощности будет минимальна, а в параллельном такой элемент отключится системой защиты. Соответственно, нет зависимости всего аккумулятора от единичных элементов, что позволяет более стабильную эксплуатацию.

У производителей электромобилей нет единого мнения по поводу использования типоразмеров, но существует тенденция к использованию более крупных форматов, так как это уменьшает общее количество элементов в аккумуляторе и соответственно снижает стоимость системы защиты. Экономия может достигать 20-25 процентов. Но с другой стороны, использование больших элементов приводит к удорожанию суммарной стоимости кВт*ч. По данным за 2015 год, именно Tesla S85 с элементами типоразмера 18650 имеет более низкую стоимость ватт-часа в сравнении с электромобилями, использующими большие призматические аккумуляторы. В таблице 1 сравнивается стоимость кВт*ч различных электромобилей.

Модель	Тип элемента	Стоимость кВт*ч	Удельная энергоемкость
Tesla S85, 90 кВт (2015)*	18650	$260/кВт*ч	250 Вт/кг
Tesla 48кВт Gen III	18650	$260/кВт*ч	250 Вт/кг
Лучшие модели с DoE/AABC	бескорпусная/призматическая	$350/кВт*ч	150-180 Вт/кг
Nissan Leaf, 30 кВт (2016)*	бескорпусная/призматическая	$455/кВт*4	80-96 Вт/кг
BMW i3	бескорпусная/призматическая	нет данных	120 Вт/кг

Таблица 1: Сравнение стоимости ватт-часа различных моделей электромобилей. Массовое производство элементов типоразмера 18650 удешевляет использующие их аккумуляторы.

* В 2015-2016 году в Tesla S85 увеличилась мощность аккумулятора с 85 кВт*ч до 90 кВт*ч. В Nissan Leaf также произошло увеличение — с 25 кВт*ч до 30 кВт*ч.

Разрабатываемый аккумулятор должен соответствовать нормам безопасности не только при стандартной работе, но и в случае выхода из строя. Все источники энергии, и электрические батареи не исключение, в конечном итоге вырабатывают свой ресурс и приходят в негодность. Бывают и случаи преждевременного, непрогнозируемого выхода из строя. Например, после некоторых инциндентов, бортовой литий-ионный аккумулятор лайнера Боинг 787 помещен в специальный металлический контейнер с вентилированием наружу. В электромобилях Tesla аккумуляторный отсек дополнительно защищается стальной пластиной во избежание проникающих повреждений.

Большие аккумуляторные системы для высоконагруженных систем имеют принудительное охлаждение. Оно может быть реализовано в виде отвода тепла радиатором, а может включать в себя вентилятор для подачи холодного воздуха. Также существуют системы с жидкостным охлаждением, но они довольно дорогие, и используются, как правило, в электромобилях.

Уважающие себя производители электрических элементов не поставляют литий-ионные элементы несертифицированным компаниям-производителям аккумуляторов. Эта мера предосторожности вполне оправдана, так как схема защиты в конструируемом аккумуляторе может быть некорректно настроена ради завышения показателей, и элементы будут заряжаться и разряжаться не в безопасном интервале напряжений.

Стоимость сертифицированной аккумуляторной системы для воздушного транспорта или для иного коммерческого использования может составлять от $ 10000 до $ 20000. Столь высокая цена вызывает беспокойство, особенно зная о том, что производители периодически меняют используемые в таких системах электрические элементы. Аккумуляторная система с такими новыми элементами хоть и будет указана в качестве прямой замены более старой, снова будет требовать новых сертификатов.

Часто задают вопрос: ”Зачем нужна сертификация аккумулятора, если элементы, из которых он состоит, уже одобрены?”. Ответ довольно прост — конечное устройство, аккумулятор, также должно быть проверено на соответствие стандартам безопасности и правильность сборки. К примеру, неисправность той же схемы защиты может привести к возгоранию или даже взрыву, а ее тестирование возможно только в готовом аккумуляторе.

Аккумуляторы EverExceed

OPzS	NI-CD	OPzV

20 лет / 1500 циклов	25 лет / 2000 циклов	20 лет / 1500 циклов
для промышленного и частного применения: телекоммуникации, аварийное освещение, солнечные электростанции, системы безопасности, (UPS) источники бесперебойного питания и т.д.

Согласно правилам, установленным ООН, аккумулятор должен пройти механические и электрические тесты, чтобы соответствовать требованиям, регламентирующим возможность воздушной транспортировки. Эти правила (UN/DOT 38.3) работают совместно с рекомендациями Федерального Управления Гражданской Авиации (FAA), Департамента Транспорта США (US DOT) и Международной Ассоциации Воздушного Транспорта (IATA)*. Сертификация распространяется на первичные и вторичные литиевые батареи.

Правила ООН 38.3 включают в себя такие тесты:

Т1 — Имитация работы на высоте (первичные и вторичные батареи)
Т2 — Температурные испытания (первичные и вторичные батареи)
Т3 — Вибрация (первичные и вторичные батареи)
Т4 — Удар (первичные и вторичные батареи)
Т5 — Внешнее короткое замыкание (первичные и вторичные батареи)
Т6 — Механическое воздействие (первичные и вторичные батареи)
Т7 — Перезарядка (вторичные батареи)
Т8 — Принудительный разряд (первичные и вторичные батареи)

Испытуемые электрические батареи должны пройти испытания, не причинив вреда окружающему пространству, сохранение ими работоспособности после тестов не играет никакой роли. Эти испытания предназначены исключительно для тестирования безопасности, а не потребительских качеств. Уполномоченная лаборатория, проводящая эти тесты, нуждается в 24 образцах батарей, 12 новых и 12 прошедших 50 циклов заряда/разряда. Присутствие уже используемых аккумуляторов гарантирует более реалистичное качество выборки.

Высокая стоимость сертификации является неподъемной для небольших производителей литий-ионных батарей, поэтому конечная цена сертифицированных моделей довольно высока. Но у потребителей есть выбор — вместо сертифицированного литий-ионного вполне можно приобрести аккумулятор на основе никеля, транспортировка которого не регламентируется так строго. (Смотрите BU-704: Транспортировка электрических батарей.)

2. Рекомендации по работе с литий-ионными батареями

Соблюдайте осторожность при работе и тестировании аккумуляторов.
Не допускайте короткого замыкания, перезарядки, сдавливания, падения, проникновения посторонних предметов, применения обратной полярности, воздействия высокой температуры на аккумулятор.
Не разбирайте аккумулятор.
Используйте только оригинальные литий-ионные аккумуляторы и зарядные устройства.
Следует прекратить эксплуатацию аккумулятора и/или зарядного устройства при чрезмерном нагреве.
Следует помнить, что вещество электролита легковоспламеняемое и взрыв или возгорание аккумулятора может привести к травмам.

* Международная ассоциация воздушного транспорта работает с авиакомпаниями и воздушной транспортной отраслью для обеспечения безопасности, надежности и экономичности авиаперевозок.

5 лучших аккумуляторов 18650 — Рейтинг 2021 года (Топ 5)

Самым популярным типоразмером сменных (и не очень) литий-ионных цилиндрических аккумуляторов стал 18650 (что расшифровывается как цилиндрический (0), диаметр 18 мм, длина 65 мм): на нем собираются батареи ноутбуков, их покупают для фонариков, электронных сигарет, собирают пауэрбанки, да даже «Тесла», если уж на то пошло, ездит, используя энергию из гигантской сборки элементов 18650 Panasonic. Представляем рейтинг лучших аккумуляторов 18650 — по мнению экспертов и по отзывам покупателей.

Напомним, что от привычных типоразмеров сменных аккумуляторов, унаследованных еще от солевых батареек, литий-ионникам пришлось уходить: их рабочее напряжение со стандартными 1,5/1,2 В (для батареек и никелевых аккумуляторов соответственно) не совпадает более чем в два раза, так что геометрическая несовместимость оправдана. Правда, все равно в итоге появились типоразмеры 14450 и 10440, которые весьма похожи на обычные батарейки АА и ААА и могут быть вместо них установлены – обычно с понятным итогом.

Поскольку в одной линейке аккумуляторы всех типоразмеров производятся по одной технологии (то есть их токовые характеристики можно считать пропорциональными размеру), то, даже если Вам нужен аккумулятор другого форм-фактора (например, 26650), то от нашего рейтинга тоже можно будет отталкиваться.

Для рейтинга мы возьмем как образцы незащищенные аккумуляторы 18650 – в большинстве случаев каждая модель имеет исполнения и с платой защиты, и с наваренными выводами, так что под конкретную потребность свой вариант найдется.

Рейтинг лучших аккумуляторов 18650

Как выбрать аккумулятор типоразмера 18650?

В первую очередь нужно учитывать, что литий-ионные аккумуляторы весьма чувствительны к токам разряда и заряда (точнее, к температуре, которая при росте тока ощутимо поднимается). Для любого аккумулятора производитель в даташите указывает предельные токи, превышать которые нельзя ни в коем случае – именно поэтому для мощных потребителей разрабатываются специальные высокотоковые аккумуляторы, способные отдавать более 10 А. Использовать высокотоковые аккумуляторы при меньших токах можно (хотя и нет смысла – цикловый ресурс у них ниже, а цена выше), а вот заменять высокотоковый обычным прямо запрещается: думаю, про самовоспламеняющиеся литий-ионные аккумуляторы слышали все.

Покупая именно сменные аккумуляторы (а не элементы с наваренными выводами, которые предназначены для аккумуляторных сборок, по определению требующих балансировку и контроллер), убедитесь, что устройство, для которого они предназначены, имеет встроенный контроллер, управляющий разрядом аккумулятора. Дело в том, что для литий-ионных ячеек глубокий разряд (для большинства – менее 2,5 В) буквально смерти подобен: аккумулятор либо значительно теряет емкость, либо выходит из строя. Соответственно, при снижении напряжения ниже заданного порога контроллер обязан отключить питание. Если же в устройстве контроллера нет (как, например, в светодиодных фонариках малой мощности), то аккумулятор следует использовать защищенный: в нем под плюсовым контактом установлена компактная плата защиты, не допускающая глубокого разряда под нагрузкой и ограничивающая зарядный ток.

Удачной покупки!

Самодельный аккумулятор li ion. Как использование лития в батареях позволит нам получить мощный аккумулятор

Изначально литий ионные батарейки предназначались для мобильных устройств будь-то телефоны, фотоаппараты, видеокамеры, ноутбуки, но в последнее десятилетие выпуск литиевых аккумуляторов налажен и большинством автопроизводителей.

Тогда зачем собирать самому, если можно купить готовый аккумулятор? Есть достаточно причин:

собранные на заводе литиевые аккумуляторные батареи — неоправданно дорогие;
очень трудно найти подходящий по габаритам аккумулятор для мотоцикла, автомобиля;
если собранная батарея влезет с запасом в установочное место, то у неё будет ниже емкость.

Своими руками можно собрать батарею из отдельных элементов, которая будет ограничена лишь энергоплотностью и ценой за ватт-час, в зависимости от типа выбранных элементов:

NiMH — никель металогидридные;
Li-ion — литий ионные;
Li-pol — литий полимерные;
LiFePO4 — литий железо-фосфатные;
Lead-Acid — свинцово-кислотные.

Опасность перезаряда литиевых элементов

С литиевыми элементами нужно обращаться осторожно, поскольку в них сосредоточена большая энергия на малую площадь при полном заряде. Поэтому уже давно в продаже имеются защищенные Li-ion и Li-pol батарейки.

Ещё в 1991 году компания Sony обратила внимание на взрывоопасность Li-ion элементов. В настоящее время все без исключения аккумуляторы наматываются с двухслойным сепаратором между пластинами, чтобы исключить риск внутреннего короткого замыкания. Все фирменные батарейки снабжены платой защиты на полевом транзисторе, которая отключает их в следующих случаях:

Аккумулятор чрезмерно разряжен — ниже 2,5 В.
Перезаряжен — свыше 4,2 В.
Подан слишком большой ток заряда — более 1С (С является ёмкостью аккумулятора в Ач).
Короткое замыкание.
Превышен ток нагрузки — более 5С.
Неправильная полярность при заряде.

Для дополнительной подстраховки служит термопредохранитель, размыкающий цепь при перегреве литиевого элемента свыше 90 °C.

Как найти батарею с защитой?

Литиевые аккумуляторы выпускаются в бытовом и технологическом исполнении. Батарейки для бытового использования имеют прочный пластмассовый корпус и встроенную электронную защиту. Технологические элементы, предназначенные для промышленного использования, чаще всего выпускаются в бескорпусном виде и не имеют встроенной защиты.

Защищенные аккумуляторы имеют слово «protected » в названии, незащищенные — «unprotected ».
Батарейки с защитой длиннее обычных на 2–3 мм из-за платы, которая устанавливается на торце возле минусового полюса.
Цена на батарейки с защитой при одинаковой ёмкости всегда выше, ведь плата с электронными компонентами тоже стоит денег.

Плюсовой полюс батарейки обязательно соединяется с защитной платой тонкой пластинкой, иначе защита работать не будет.

При последовательном соединении отдельных элементов их напряжения суммируются, а ёмкость остаётся той же. Даже из одной серии батарейки имеют различные характеристики, поэтому заряжаются они с разной скоростью. Например, при заряжании до суммарного напряжения 12,6 В элемент посередине может перезарядиться до 4,4 В, что опасно его перегревом.

Дабы не происходило чрезмерного перезаряда незащищенных элементов, применяются балансировочные шлейфы, подключаемые к специальным зарядным устройствам, например: iMAX B6 и Turnigy Accucel-6.

Каждая Li-ion и Li-pol аккумуляторная батарейка бытового назначения имеет самую совершенную защиту от перенапряжений, в виде схемы контроля напряжения, ключа на полевом транзисторе и термопредохранителя.

Балансировка защищённых элементов не требуется, поскольку при возрастании напряжения на каком-то из них до 4,2 В, зарядка гарантированно прервётся.

При сборке батареи из элементов без защиты есть выход из положения — поставить одну плату контроля напряжения на все батарейки, к примеру, соединив их по схеме 4S2P — 4 последовательно, 2 параллельно.

Также не нужна балансировка параллельно соединённых элементов.

При параллельном соединении батареек их напряжение остаётся прежним, а ёмкости суммируются.

О ёмкости литиевых аккумуляторов

Ёмкость — способность аккумулятора отдавать ток, измеряемая в миллиампер час (мАч) или ампер час (Ач). К примеру, батарейка ёмкостью в 2 Ач сможет отдавать ток в 2 A один час, или в 1 A два часа. Но эта зависимость тока от времени подключения нагрузки не линейна — в определённой точке графика при увеличении тока вдвое время работы батареи снижается вчетверо. Поэтому производители всегда указывают ёмкость, высчитанную при разряде аккумулятора чрезмерно малым током в 100 мА.

Количество энергии зависит от напряжения аккумулятора, поэтому никель металогидридные элементы при одинаковой ёмкости имеют в 3 раза меньшую энергоёмкость, чем литий ионные:

NiMH — 1,2 В * 2,2 Ач = 2,64 ватт-часа;
Li-ion — 3,7 В * 2,2 Ач = 8,14 ватт-часа.

При поиске и покупке аккумуляторных батареек отдавайте предпочтение известным фирмам, таким как Samsung, Sony, Sanyo, Panasonic. Батарейки этих производителей имеют ёмкость наиболее соответствующую той, что указана на их корпусе. Надпись 2600 мА на элементах Sanyo не сильно отличается от их настоящей ёмкости в 2500–2550 мА. Подделки китайских производителей с хвалёной ёмкостью в 4200 мА недотягивают и до 1000 мА, зато цена на них в два раза ниже японских оригиналов.

Для сборки аккумулятора из литиевых батареек можно применять:

пайку;
соединительные коробки;
неодимовые магниты;

Пайку при заводской сборке применяют крайне редко, так как литиевый элемент разрушается от нагрева, теряя при этом часть своей ёмкости. С другой стороны, в домашних условиях пайка будет оптимальным способом соединения батареек, поскольку даже мизерное сопротивление на контактах значительно снизит суммарное напряжение на общих клеммах. Пользоваться нужно мощным паяльником на 100 Вт, и прикасаться им к литиевым батареям не более чем на две секунды.

Мощные редкоземельные магниты покрываются слоем никеля или цинка, поэтому их поверхность не окисляется. Эти магниты обеспечивают прекрасный контакт между батарейками. Если захотите припаять проводок к магниту, не забывайте о температуре Кюри, свыше которой любой магнит становится камушком. Ориентировочно допустимая температура для магнитов составляет 300°С.

Если пользоваться коробком для соединения аккумуляторов, то становиться очевидным большой плюс, поскольку так легче будет подобрать батарейки по напряжению или поменять испорченный элемент.

Точечная сварка — наилучший способ соединения литиевых элементов, используемый при сборке батарей для ноутбуков.

Покупать готовый литиевый аккумулятор для машины или мотоцикла невыгодно, когда его можно собрать самому за более низкую цену. Можно сэкономить до 70 долларов, если не покупать новую батарею ноутбука, а самостоятельно заменить в ней элементы.

Об экономии при сборке мощных литиевых батарей для питания электроавтомобилей или систем автономного электроснабжения дома судить тяжело, так как в этих случаях присутствуют дополнительные затраты на оборудование управления и контроля.

Вам также может быть интересно

1. 1. 1. 1. А теперь по делу:
        Касательно емкости. Я понимаю так что если мотор не тянет, например, на горку, то он выдает ток короткого замыкания. Мотор не сгорит потому что в нем намотаны толстые провода.
        А вот как узнать какой он выдает максимальный ток? И как длительно его намотка внутри выдержит этот ток?
        Судя по Вашему письму Вы Человек высокообразованный, во всяком случае в физических науках, а вот я школе и институте отличник сейчас не помню элементарных азов. Отнеситесь к этому факту с пониманием- склероз старческий. Хотя считаю себя умным!!!
        Поставленные выше вопросы направлены на то чтобы ответить на главный вопрос – как будет правильно (без риска спалить АК) эксплуатировать мотор и батарею при езде по любой местности (имею в виду подъемы большие и малые)
        Понимаю так: если я своевременно буду тумблером отключать АК, и на горку вести вело вручную. то ни чего не случится.! Как узнать этот момент?
        Возможно есть специальный прибор, сигнализирующий большой ток, или тепловое реле четко, подчеркиваю четко, отключающее АК?

1. Аспекты безопасности

Правила ООН 38.3 включают в себя такие тесты:

Т1 — Имитация работы на высоте (первичные и вторичные батареи)

Т2 — Температурные испытания (первичные и вторичные батареи)

Т3 — Вибрация (первичные и вторичные батареи)

Т4 — Удар (первичные и вторичные батареи)

Т5 — Внешнее короткое замыкание (первичные и вторичные батареи)

Т6 — Механическое воздействие (первичные и вторичные батареи)

Т7 — Перезарядка (вторичные батареи)

Т8 — Принудительный разряд (первичные и вторичные батареи)

Соблюдайте осторожность при работе и тестировании аккумуляторов.

Не допускайте короткого замыкания, перезарядки, сдавливания, падения, проникновения посторонних предметов, применения обратной полярности, воздействия высокой температуры на аккумулятор.

Не разбирайте аккумулятор.

Используйте только оригинальные литий-ионные аккумуляторы и зарядные устройства.

* В 2015-2016 году в Tesla S85 увеличилась мощность аккумулятора с 85 кВт*ч до 90 кВт*ч. В Nissan Leaf также произошло увеличение – с 25 кВт*ч до 30 кВт*ч.

1. Аспекты безопасности

Часто задают вопрос: ”Зачем нужна сертификация аккумулятора, если элементы, из которых он состоит, уже одобрены?”. Ответ довольно прост – конечное устройство, аккумулятор, также должно быть проверено на соответствие стандартам безопасности и правильность сборки. К примеру, неисправность той же схемы защиты может привести к возгоранию или даже взрыву, а ее тестирование возможно только в готовом аккумуляторе.

Создание литий-ионного аккумулятора
Узнайте о требованиях к конструкции источника питания литий-ионной электрохимической системы.

Зачем собирать самому? Да затем, что аккумуляторные батареи — это та область, где готовый продукт — всегда лажа. Они всегда неоправдано дорогие. Всегда не достать нужного размера, который, разумеется, уникален для каждого устройства. Всегда нет нужной емкости, а есть только те, которые расчитаны на беготню от розетки к розетке в пределах города.

Особенно громко ругать производителей начинаешь тогда, когда попадаешь в форс-мажорную ситуацию. Остаешься без связи, потому что на морозе сдох коммуникатор. Не можешь снять удачный момент, потому что кончился родной аккумулятор на камере, а запасной от фирмы стоит $50. Или сидишь и скучаешь, потому что ноутбука хватило на час.

А вот сами вы можете собрать батарею, которая будет ограничена только двумя параметрами: ценой за ватт-час и энергоплотностью. Все остальные характеристики вы будете выбирать сами.

Статья написана для дилетантов и от дилетанта.

Только одно «но». Эта статья НЕ про батареи мощнее нескольких киловатт-часов.

Теория на пальцах

Элемент , ячейка , «банка» , «батарейка» — то, что накапливает и отдает энергию. От аккумуляторных элементов зависят все характеристики батареи.

Батарея — это уже набор из многих элементов. Несколько ячеек соединяют в батарею, когда характеристик одной ячейки мало. Если соединить последовательно — растет напряжение. Если параллельно — увеличивается емкость батареи. Может включать в себя не только банки, но и всякую там управляющую электронику.

Напряжение — это то, с какой силой батарея может ударить током в потребителя. Является лишь характеристикой аккумулятора, от потребителя не зависит. 7 Измеряется в вольтах (V).

Сила тока — чем она больше, тем больше жрет потребитель электричества. Измеряется в амперах (A).

Емкость — характеристика аккумулятора, измеряется в ампер-часах (Ah). К примеру, емкость в 2Ah означает, что аккумулятор может отдавать ток в 1A два часа и в 2A — один час.

Емкость аккумулятора также зависит от разрядного тока. Обычно чем он больше, тем емкость меньше. Производители аккумуляторов обычно указывают емкость, полученную при разряде каким-нибудь мизерным током в 100mA.

Справа показаны характеристики Li-ion-аккумулятора, который разряжают при разной силе тока. Чем ток выше, тем кривая разряда ниже.

C — буква латинского алфавита, которой измеряют отношение силы тока к емкости аккумулятора, то есть во сколько раз ток превышает емкость. Если аккумулятор имеет емкость 2Ah и разряжается при токе в 4A, то можно сказать, что он разряжается при токе в 2C. Все дело в том, что чем больше емкость аккумулятора, тем проще ему отдавать ток, и поэтому такой характеристикой пользоваться удобнее, чем просто амперами.

Энергия — та характеристика, которая позволяет сравнивать аккумуляторы с разным напряжением. Измеряется в ватт-часах и грубо вычисляется путем умножения напряжения на аккумуляторе на его емкость. Численно равна площади фигуры под кривой разряда.

Попугаи емкости и ватт-часы энергии

Предположим, у нас есть две батарейки одинаковой емкости — 2200mAh. Но одна из них — литий-ионная, а другая — никель-металлгидридная.

Вопрос: означает ли это, что в обоих аккумуляторах одинаковое количество энергии? Будет ли одно и то же устройство работать от обоих банок одинаковое время?

На самом деле, глядя лишь на характеристику емкости, нельзя сравнивать энергию , которую может накопить и отдать аккумулятор. Для этого нужно знать номинальное напряжение на нем.

Грубо прикинуть количество энергии в ватт-часах можно, умножив номинальное напряжение аккумулятора на его емкость. И у нас получится:

Для NiMH: 1.2 вольт * 2.2 ампер-часа = 2.64 ватт-часа
Для Li-ion: 3.7 вольт * 2.2 ампер-часа = 8.14 ватт-часа

Что энергия Li-ion-аккумулятора той же емкости — в 3 раза больше, чем NiMH.

Но это всего лишь грубая «прикидка». Так, напряжение в 1.2 вольта на NiMH-элементе — это максимальное напряжение, соответствующее полному заряду аккумулятора. При разряде оно будет только падать, и реальная энергия будет немного меньше 2.64 ватт-часов. Тем не менее, именно такой способ расчета энергии аккумулятора мы будем использовать для сравнения их характеристик.

Как собрать аккумуляторную батарею
Как собрать аккумуляторную батарею Зачем собирать самому? Да затем, что аккумуляторные батареи — это та область, где готовый продукт — всегда лажа. Они всегда неоправдано дорогие. Всегда не

Мотик Suzuki SV400S ’98 купленный мной прошлой осенью практически сразу захотел новый аккумулятор — тот что был моментально разряжался, не всегда включал 35-ваттную ксенонку, а стартер крутил как-то вяло и нехотя. После очередного позорного старта «с толкача» я полез по сайтам в поисках нового аккумулятора. И практически сразу закручинился — новый аккумулятор для моей Сузы от любого приличного производителя выходил не меньше 3 т.р. И это за доисторические свинцовые аккумуляторы, малоемкие, тяжелые, с низкой токоотдачей! Многим известно что у большинства свинцовых аккумуляторов есть такая малоприятная «фича» — при заявленной емкости в 12 Ач безопасно можно использовать только половину емкости, т.е. около 6 Ач. Дальнейший разряд ведет к ускоренной деградации аккумулятора и скорой его замене. Исключение составляют аккумуляторы серий «Deep Cycle» — но часто ли вы видели такую надпись?)))
Еще немного покопавшись в просторах инета я нашел более интересный вариант — аккумуляторы собранные из элементов LiFePo4.

Осторожно! Много непонятных буковок и картинок

Литий-железная химия вполне безопасна, элементы емкие и легче свинца. Многие производители также говорят про 3-4 кратное увеличение времени жизни таких батарей при условии правильной эксплуатации. И емкость элементов — честная, хорошие элементы можно разряжать почти полностью без ущерба для них и без падения токоотдачи по мере разряда! К тому же еще и более морозоустойчивые чем свинец. Нашел подходяший по размерам и параметрам вариант — Shorai LFX12A1-BS12

Итак, что мы имеем? Емкость проставлена в «свинцовом эквиваленте», т.е. читаем 12 Ач — имеем в наличии все те же 6 Ач! За такие деньги — я не согласен. Быстрый перебор информации от остальных производителей аналогичных аккумуляторов тоже не порадовал — везде небольшая емкость, где честно проставленная, а где и опять располовиненная «PB EQ».

Скажете засада. Не для самодельщика))
Дальше будет много терминологии понятной моделистам, электрикам и собратьям-самоделкиным. Если что — спрашивайте в комментах меня или мучайте гугля.
Два года назад я всерьез заинтересовался возможностью сборки электровелика «с нуля», таки собрал его, и вот уже года полтора использую его по назначению. Тяговая батарея собиралась из большого количества элементов и электроники для контроля ее состояния. Вот так она выглядит без чехла:

Количество проводов меня тоже пугает, да)
Навыки и информация полученная в процессе очень помогли в сборке новой батареи.

Итак, вводные: Элементы LiFePo4, максимальная емкость в пределах габаритов свинцовой батареи, максимальная токоотдача, система контроля для долгой счастливой жизни, минимальная цена.
Перекопав еще раз дебри сети нашел несколько подходящих вариантов, а финалистами стали два из них:
A123 ANR26650M1A

номинальное напряжение 3,3в
номинальная емкость 2,3 Ач
номинальный разрядный ток 30С (69А с элемента)
максимальный разрядный ток до 60С (до 138А с элемента)
номинальный зарядный ток 10С (до 23А на элемент)
размеры 26мм х 66,5мм
вес 70гр.

номинальное напряжение 6,6в (3,3в на каждую пару элементов)
номинальная емкость 3,6 Ач (1,8 Ач на каждый элемент)
номинальный разрядный ток 30С (54А с элемента)
максимальный разрядный ток до 40С (до 72А с элемента)
номинальный зарядный ток 2С (до 3,6А на элемент)
размеры 139мм х 21мм х 45мм
вес 262гр.

В доступный нам обьем влезает 24 элемента А123 (схема 4S6P, емкость 13,8 Ач, зарядный ток до 138А, разрядный ток 414А/828А, вес 1680гр) или 8 батарей Zippy (схема 4S8P, емкость 14,4 Ач, зарядный ток до 28,8А, разрядный ток 432А/576А, вес 2100гр).
Все здорово и радостно, но теперь начинает влиять такой важный фактор как стоимость. 24 элемента А123 обойдутся примерно в 6000р., 8 батарей Zippy в 5600р, это все с доставкой. Дофига? Вот и я так подумал.
Поэтому несколько умерил свои аппетиты и заказал 6 батарей Zippy что обошлось мне в 4200р. Параметры конечно получились поскромнее, но все еще радующие глаз — схема 4S6P, емкость 10,8 Ач, зарядный ток до 21,6А, разрядный ток 324А/432А, вес 1570гр.
А в довесок, благо все в одном магазине, взял еще вот такую мелкую шнягу, которая называемся в миру Battery Checker & Balancer

Эта мелкая приблуда будет заниматься здоровьем батарейки, иначе говоря она будет выравнивать напряжение элементов батареи относительно друг друга. Единственное «но» — тестер расчитан в первую очередь для батарей LiPo, а не LiFePo4, поэтому заряд батареи в % показываться будет неверно. Балансировке элементов это не мешает. Поэтому левый уголок экрана с указателем заряда батареи я просто заклеил — нефик сбивать с толку)
Ну и мелочевка — балансировочные кабели для тестера и защитные колпачки. Пригодицца! ©

Затем при помощи Почты России был небольшой перерыв — первая посылка ехала примерно 1,5 месяца, вторая 2,5 месяца.

Наконец все приехало, и я отбалансировал все батареи по отдельности на модельном заряднике. Это чтобы не получить небольшой «бадабум» при соединении батарей между собой. Заодно проверил емкость, стабильность напряжения на элементах при разрядке ну и вообще…

Следующий этап — пайка и сборка:
1) Спаял параллельно 2 группы по 3 батареи в каждой (2S6P + 2S6P)

с другого ракурса

Попутно все зафиксировал армированным скотчем — так надежнее и меньше шансов повредить тонкие полиэтиленовые оболочки элементов.
2) Так выглядит собранная вместе начинка батареи

Два толстых провода с разьемами нужны для последовательного соединения частей батареи между собой. Также видны балансировочные выводы 2S от каждой части.
3) Распиленый на части пластиковый воздуховод послужит жестким корпусом батареи

5) Стянул все армированным скотчем до полного удовлетворения, и сделал контакты «колечками» из самих выводов (подходящих контактных колечек под рукой не оказалось)

6) Поставил балансироваться, разбег между элементами минимальный

Через пару минут все сводится к общему знаменателю

И засыпает чтобы не жрать зазря мою новую батарейку

Собсно всё, дальше батарейка была установлена в надлежащее место, и работает как ей и полагается.
Т.е. ксенон включается быстро и без противного моргания, стартер крутит как заведенный, а фары можно оставить на час-два без того чтобы они разрядили батарею до нуля. Когда поставлю противоугонку — можно также оставлять ее включенной намного дольше по времени. А еще я люблю хороший свет, поэтому в скором времени буду ставить на место 35вт ксенонки что-то получше — 55/75вт или вообще диоды. Батарея позволяет)

В следующей статье я расскажу как сделал из мощных диодов габарит/стопсигнал заменивший галогеновые лампочки.

Литий ионный аккумулятор своими руками
Я решил что свой первый пост посвящу чему-то более интересному, чем то как я докатился до такой жизни)) Мотик. Как и зачем я сделал литиевый аккумулятор

В этом видео мы будем работать с батарейкой Varta Profeshional, из которой собираемся достать металлический литий. Обычные батарейки не содержат литий, так что они не подойдут. Обязательно будьте в перчатках и не снимайте их до конца процедуры, так как химикаты в батарейках не совсем полезны.

Первая задача – убрать этикетку. Мы проводим этот эксперимент в подвале, так как в ядре содержатся все химикаты. Эта маленькая штучка построена как крепость. Смотрите внимательно, чтобы корпус не прикасался к ядру, так как может произойти короткое замыкание. Теперь плоскогубцами или кусачками вскрываем стальной корпус. Будьте уверены, что придется потрудиться. Используйте кусачки, чтобы сжать и вырвать внутренний колпачок.

Соблюдайте эти меры предосторожности при разборе литиевой батарейки. Работайте в защитных перчатках.

Вся внешняя оболочка – это негативный заряд, а внутренний колпачок – положительный заряд. Два заряда разделены внутренней подкладкой из пластмассы. Легко случайно спровоцировать короткое замыкание в батарейке, так что будьте осторожны. Если вдруг любая часть батарейки резко нагреется, значит, произошло короткое замыкание, быстро выбросьте батарейку, прежде чем она начнет вентилировать свои электролиты. Ничего не делайте с ней, пока она не остынет.

Теперь мы освободили внутреннее ядро батарейки. Продолжаем убирать стенки корпуса, чтобы добраться до верхней части. Наконец-то, мы убрали весь внешний корпус. Теперь просто вытащите ядро. А вот и оно. Теперь разматывайте его, как ролл. Сначала, внешняя защита. Сейчас разматываем само ядро. Мертвые батарейки и замкнутые будут иметь литий более низкого качества, чем тот, что в новых. Так что лучше избежать и тех, и других.

Эта фольга, покрытая черным дисульфидом железа, служит катодом и так как она нам не нужна, то просто выбрасываем ее. Теперь освобождаем металлический литий. Он сразу начнет вступать в реакцию с воздухом, так что работайте быстро. И вот он у нас – металлический литий. Вы уже можете наблюдать за тем, как литий реагирует на воздух.

Металлический литий из батарейки

Первый тест – просто поджигаем литий. Через несколько секунд вы все увидите. Чтобы поджечь его, нужно воспользоваться зажигалкой с пьезой и любой металлической подложкой. В жизни свет был таким насыщенным, что нельзя было смотреть прямо на него, будто бы смотрели на солнце. Маленький кусочек светился так ярко, что освещал все помещение. Второй тест с литием – бросаем маленький кусочек в воду. Как вы видите, происходит мощная реакция и выделяется газ.

Команда исследователей из Стэнфордского университета считает, что ей удалось достичь «Святого Грааля» в разработке литиевых батарей: анод из чистого лития, который может увеличить расстояние езды электромобиля на одной зарядке до 480 км.

Литий-ионные батареи на сегодняшний день являются одним из наиболее распространенных типов аккумуляторов на рынке. Но большинство из тех, что используются в основном в устройствах смартфонов и электрических автомобилей, функционируют на основе анода, выполненного из графита и кремния. Литий в литий-ионных аккумуляторах традиционно находится в электролите. Электроны в электролите протекают к аноду во время зарядки, и если бы анод также был сделан из лития, батарея была бы способна создавать гораздо больше энергии при меньшем весе.

До сих пор, однако, литиевые аноды были непригодны для использования. Этот материал расширяется во время зарядки, образуя щели на поверхности, что приводит к освобождению ионов лития и образованию загрязнений, волосовидных наростов под названием «дендриты», которые вызывают короткое замыкание аккумулятора. Литиевые аноды также вступают в химическую реакцию с литиевым электролитом и могут перегреться, воспламениться или даже взорваться.

Проблема пожаров по вине литий-ионных батарей привлекла к себе пристальное внимание после инцидентов с тремя концептами от Tesla Motors, разбившихся и загоревшихся в прошлом году после попадания в аккумулятор дорожного мусора. Исследователи считают, что применение литиевого анода может решить подобные проблемы благодаря защитному слою из мелких углеродных куполов, называемых наносферами, которые образуют гибкий, ячеистый щит над анодом.

Ученые уверены, что благодаря малому весу и высокой плотности энергии литий имеет яркое будущее в качестве анода. Углеродная поверхность наносфер повышает эффективность дальнейшей переработки, а также уменьшает химическую реакцию. Кроме того, новая разработка перспективна в рамках финансовой стороны вопроса. Исследователи утверждают, что новый слой наносфер выгодным образом влияет на соотношение количества лития, извлеченного из батареи во время использования, к количеству возвращенного в процессе зарядки.

Ведущий специалист из группы исследователей сообщает, что в течение ближайших нескольких лет команда надеется усовершенствовать конструкцию батареи, увеличить эффективность и поддерживать ее работу в течение 500-1000 циклов.

Что это может означать для обычных пользователей? По заявлению Нобелевского лауреата Стивена Чу, входящего в состав команды ученых, благодаря разработке в ближайшем будущем мы можем ожидать мобильные телефоны с удвоенной или утроенной продолжительностью работы аккумулятора и электромобили, способные передвигаться на расстояние до 480 км на одном заряде, чья стоимость будет сопоставима с ценами на автомобили с двигателями внутреннего сгорания.

Как заряжать литиевый аккумулятор: виды зарядных устройств

Время прочтения: 5 мин

Дата публикации: 11-08-2020

На данный момент, в зависимости от сферы применения, наиболее популярными являются два вида аккумуляторных батарей: литиевые и свинцово-кислотные. Свинцовые аккумуляторы постепенно теряют популярность, так как не отличаются высокой плотностью энергии и длительным ресурсом. Если требуется максимально компактный источник питания, всегда выбор падает именно на литиевые АКБ.

Как и в случае со свинцово-кислотными аналогами, литиевые аккумуляторные батареи делятся на множество типов. Наиболее распространенными являются литий-ионные (Li-ion) и литий-полимерные (Li-pol). Именно они используются в мобильных гаджетах и даже в электрокарах. К примеру, в Tesla model S установлено более 7 тысяч литий-ионных аккумуляторов Panasonic Li-ion NCR18650B.

Большая часть техники, где используются литиевые аккумуляторы, имеют встроенные механизмы зарядки, поэтому пользователю требуется лишь подключиться к электросети. В иных случаях заряд требуется осуществлять самостоятельно. Чтобы аккумулятор служил долго, его требуется правильно заряжать.

Как заряжать литиевый аккумулятор, чтобы ему не навредить? Несмотря на очевидность, попробуем разобраться, чем заряжать литиевый аккумулятор можно, а чем — нельзя.

Что надо знать об аккумуляторе

Процесс заряда всегда зависим от того, какой аккумулятор заряжается. Нельзя одинаковым режимом пополнять заряд разных по характеристикам и типам моделей.

Если обобщить, то приблизительно подобрать правильный режим заряда можно при наличии данных о типе аккумулятора, его емкости и напряжении.

Тип АКБ. Почему важно знать тип? Достаточно сравнить номинальное напряжение литий-титанатного и литий-ионного аккумулятора. 2,4В и 3,7В соответственно. Нетрудно догадаться, к каким последствиям может привести заряд литий-титанатной батареи неким абстрактным зарядным устройством для литиевого аккумулятора, которое предназначено именно для Li-ion.
Емкость АКБ. Данный параметр заряжаемого аккумулятора важен из-за того, что ток, как правило, подбирается в процентном соотношении к номинальной емкости. Литий-ионные аккумуляторы, например, не рекомендуется заряжать током выше, чем 0,5С-1С (ток, равный 50% и 100% соответственно по отношению к емкости в ампер-часах). Этот показатель может значительно меняться от модели к модели. Яркий тому пример — литий-титанатные АКБ, некоторые модели которых позволяют зарядку токами, в сотни раз превышающими номинальную емкость.
Напряжение АКБ. Тип литиевого аккумулятора говорит лишь о напряжении одной ячейки или отдельного элемента питания, состоящего из одной ячейки. Тем не менее, для выбора зарядного устройства или подходящего режима на уже имеющемся ЗУ, надо знать суммарное напряжение всей цепи, так как оно может быть многократно нарощено путем последовательного соединения ячеек. В уже готовых аккумуляторах на основе множества ячеек напряжение всегда указано в маркировке.

Как зарядить АКБ

Нередко пользователи интересуются в сети, как заряжать литиевый аккумулятор мотоцикла. Учитывая, что литиевый АКБ для мотоцикла — это устройство фабричное, а не самодельное, вся важная информация, в том числе и ток заряда, обычно размещена на бирке. Другое дело — это когда имеется элемент питания, собранный из одной или множества ячеек, в том числе из упомянутых ранее аккумуляторов panasonic.

Важно учитывать наличие в аккумуляторе или в схеме защиты в виде BMS. BMS — это контроллер, который выполняет сразу множество функций. Он может защищать элементы питания от опасных значений напряжения и тока, балансировать элементы на последних стадиях заряда, а также осуществлять регулировку подаваемого напряжения. Зарядка литий-ионных аккумуляторов напрямую может представлять опасность для АКБ, особенно если используется кустарное ЗУ. Применять кустарные приспособления как на основе трансформатора с диодным мостом, так и на основе переделанных компьютерных блоков питания не рекомендуется даже для свинцово-кислотных АКБ.

Если по какой-то причине в литиевом аккумуляторе отсутствует BMS, на ЗУ требуется выставить напряжение, являющееся максимальным для данного типа батарей. К примеру, литий-ионные АКБ при полном заряде выдают 4,2В на одну ячейку, а LiFePO4 — 3,65. Если ток, при этом, превышает 0,5С, рекомендуется его ограничить. Если ЗУ не позволяет регулировать ток, понизить его можно путем снижения выходного напряжения. Как только оно будет достигнуто, его можно поднять до конечного показателя, соответствующего полному заряду аккумулятора.

В случае с литиевыми аккумуляторами, оборудованных BMS (к счастью, таких большинство), все куда проще. Контроллер попросту не допустит подачу опасных номиналов тока и напряжения. Единственное исключение — это когда пользователь самостоятельно припаивает BMS к своей сборке батарей. В таком случае нельзя гарантировать, что контроллер настроен верно в соответствии с требованиями, предъявляемыми конкретным блоком аккумуляторов. В принципе, если пользователь делает сборку АКБ и самостоятельно припаивает контроллер — видимо, он знает, что делает.

Как бы там ни было, лучшим способом безопасно и на 100% зарядить аккумуляторную батарею любого типа — это использовать умное зарядное устройство, работающее в автоматическом режиме. Такое устройство не просто выдает постоянный ток с определенным номиналом напряжения, а изменяет режим заряда в зависимости от стадии. Также важным преимуществом являются многочисленные настраиваемые параметры, позволяющие использовать один и тот же прибор с абсолютно разными сборками аккумуляторов.

К выбору зарядного устройства следует относиться максимально серьезно, так как во многом от качества заряда зависит срок службы аккумулятора. И если аккумулятор состоит из множества ячеек с высокой суммарной стоимостью, то даже небольшое увеличение срока службы экономит заметную сумму.

как собрать литиевую батарею своими руками

Тогда зачем собирать самому, если можно купить готовый аккумулятор? Есть достаточно причин:

собранные на заводе литиевые аккумуляторные батареи — неоправданно дорогие;
очень трудно найти подходящий по габаритам аккумулятор для мотоцикла, автомобиля;
если собранная батарея влезет с запасом в установочное место, то у неё будет ниже емкость.

NiMH — никель металогидридные;
Li-ion — литий ионные;
Li-pol — литий полимерные;
LiFePO4 — литий железо-фосфатные;
Lead-Acid — свинцово-кислотные.

Опасность перезаряда литиевых элементов

Аккумулятор чрезмерно разряжен — ниже 2,5 В.
Перезаряжен — свыше 4,2 В.
Подан слишком большой ток заряда — более 1С (С является ёмкостью аккумулятора в Ач).
Короткое замыкание.
Превышен ток нагрузки — более 5С.
Неправильная полярность при заряде.

Как найти батарею с защитой?

Защищенные аккумуляторы имеют слово «protected» в названии, незащищенные — «unprotected».
Батарейки с защитой длиннее обычных на 2–3 мм из-за платы, которая устанавливается на торце возле минусового полюса.
Цена на батарейки с защитой при одинаковой ёмкости всегда выше, ведь плата с электронными компонентами тоже стоит денег.

О балансировке элементов литиевого аккумулятора

Также не нужна балансировка параллельно соединённых элементов.

При параллельном соединении батареек их напряжение остаётся прежним, а ёмкости суммируются.

О ёмкости литиевых аккумуляторов

NiMH — 1,2 В * 2,2 Ач = 2,64 ватт-часа;
Li-ion — 3,7 В * 2,2 Ач = 8,14 ватт-часа.

Как соединить литиевые батарейки?

Для сборки аккумулятора из литиевых батареек можно применять:

пайку;
соединительные коробки;
неодимовые магниты;
точечную сварку.

Покупать готовый литиевый аккумулятор для машины или мотоцикла невыгодно, когда его можно собрать самому за более низкую цену. Можно сэкономить до 70 долларов, если не покупать новую батарею ноутбука, а самостоятельно заменить в ней элементы.

Автор: Виталий Петрович. Украина, Лисичанск.

«Сделай сам» аккумуляторы из мусорных свалок могут стать следующим высокоэффективным источником энергии

[Изображение вверху] Предоставлено: mikethefifth; Flickr, CC BY-NC 2.0

Чтобы не отставать от рыночного спроса, батареи должны обладать достаточной энергией и долговечностью для питания постоянно развивающихся потребительских электронных устройств, чтобы выдерживать более длительные промежутки времени без подзарядки. Но исследователи сталкиваются с реальными проблемами, когда дело доходит до разработки этих эффективных источников энергии без ущерба для безопасности потребителей или негативного воздействия на окружающую среду.

Samsung отозвала свой долгожданный Galaxy Note 7 после того, как сотни смартфонов спонтанно загорелись в руках потребителей из-за неисправности литий-ионной батареи системы. И, как мы сообщали ранее на этой неделе, последствия этого отзыва не заканчиваются на потребителях. Экологическая организация Greenpeace заявляет, что это может иметь катастрофические последствия для окружающей среды, в зависимости от того, как утилизируются компоненты устройств.

Таким образом, исследователи стремятся к созданию более безопасных и чистых источников питания для бытовой электроники.

Но что, если ответ на вопрос о высокоэффективных батареях, которые оказывают меньшее воздействие на окружающую среду, будет на свалке?

Исследователи из Университета Вандербильта в Нэшвилле, штат Теннеси, вернулись к основам и использовали обрезки двух наиболее часто выбрасываемых материалов — стали и латуни — для создания, как они говорят, первой в мире стально-латунной батареи, способной накапливать энергию на уровне сравнимо со свинцово-кислотными аккумуляторами при зарядке и разрядке со скоростью, сравнимой со сверхбыстрой зарядкой суперконденсаторов, согласно пресс-релизу университета.

«Представьте себе, что тонны металлических отходов, выбрасываемых каждый год, можно было бы использовать для хранения энергии для возобновляемых источников энергии будущего, вместо того, чтобы стать бременем для предприятий по переработке отходов и окружающей среды», — Кэри Пинт, доцент кафедры машиностроения. в Вандербильте, говорится в сообщении.

Команда анодировала обрезки стали и латуни — процесс, при котором металл покрывается защитным оксидным слоем — с помощью обычной бытовой химии и электрического тока в жилых помещениях.После анодирования «металлические поверхности реструктурируются в сети из оксида металла нанометрового размера, которые могут накапливать и выделять энергию при реакции с жидким электролитом на водной основе», — поясняется в публикации. Эти наноразмерные характеристики позволяют батарее быстро заряжаться и обеспечивать стабильность.

Проведя 5 000 последовательных циклов зарядки (или эквивалент 13 лет ежедневной зарядки и разрядки), исследователи обнаружили, что эта батарея с быстрой зарядкой также чрезвычайно стабильна — она сохранила более 90% своей энергоемкости.

И в отличие от летучих литий-ионных батарей для сотовых телефонов, используемых в Samsung Galaxy Note 7 и других подобных устройствах, в этих самодельных стально-латунных батареях используются негорючие водные электролиты, содержащие гидроксид калия, недорогую соль, используемую в стиральный порошок, поясняется в выпуске.

«Когда наша цель состояла в том, чтобы производить материалы, используемые в батареях, из бытовых принадлежностей настолько дешево, что крупномасштабные производственные мощности не имеют никакого смысла, мы должны были подойти к этому иначе, чем обычно в исследовательской лаборатории», Пинта добавляет.

Ученые говорят, что эта батарея может найти применение в реальных условиях — они планируют создать полномасштабный прототип батареи, способной питать энергоэффективные умные дома.

«Мы наблюдаем начало движения в современном обществе, ведущего к« культуре производителя », когда крупномасштабная разработка и производство продукции децентрализованы и сокращены до отдельных лиц или сообществ», — говорит Пинт. «Пока что батареи остались вне этой культуры, но я верю, что мы увидим день, когда жители отключатся от сети и будут производить свои собственные батареи.Это тот масштаб, на котором зародились аккумуляторные технологии, и я думаю, что мы вернемся к нему ».

Исследование, опубликованное в ACS Energy Letters , «От свалки до электросети: переработка металлолома на открытом воздухе в наноструктурированные электроды для сверхбыстрых перезаряжаемых батарей» (DOI: 10.1021 / acsenergylett.6b00295).

Как создать лучшую батарею с помощью нанотехнологий | Наука

ПАЛО-АЛЬТО, КАЛИФОРНИЯ— Морозным, серым апрельским утром И Цуй катит на своей ярко-красной Tesla в пробках Кремниевой долины и выезжает из них.Цуй, ученый-материаловед из Стэнфордского университета, собирается посетить Amprius, компанию по производству аккумуляторов, которую он основал 6 лет назад. Неслучайно он водит машину с батарейным питанием и арендовал ее, а не купил. По его словам, через несколько лет он планирует перейти на новую модель с существенным улучшением: «Надеюсь, наши батареи будут в ней».

Cui и Amprius пытаются вывести литий-ионные батареи — лучшую на сегодняшний день коммерческую технологию — на новый уровень. У них полно компании.Крупные корпорации, такие как Panasonic, Samsung, LG Chem, Apple и Tesla, стремятся сделать батареи меньше, легче и мощнее. Но среди этих влиятельных игроков Цуй остается новаторской силой.

В отличие от других, которые сосредотачиваются на настройке химического состава электродов аккумулятора или его проводящего заряд электролита, Цуй сочетает химию аккумуляторов с нанотехнологиями. Он создает аккумуляторные электроды сложной структуры, которые могут впитывать и высвобождать ионы, несущие заряд, в больших количествах и быстрее, чем это могут делать стандартные электроды, без вызывающих неприятные побочные реакции.«Он берет инновации в области нанотехнологий и использует их для управления химией», — говорит Вэй Луо, материаловед и эксперт по батареям из Университета Мэриленда в Колледж-Парке.

Я хотел изменить мир, а также разбогатеть, но в основном изменить мир.
И Цуй, Стэнфордский университет,

В серии лабораторных демонстраций Цуй показал, как его архитектурный подход к электродам может приручить множество химических элементов батарей, которые долгое время мучили исследователей, но оставались проблематичными.Среди них: литий-ионные аккумуляторы с кремниевыми электродами вместо стандартного графита, аккумуляторы с электродом из чистого литиевого металла и аккумуляторы на основе литий-серной химии, которые потенциально более мощные, чем любые литий-ионные аккумуляторы. Наноразмерные архитектуры, которые он изучает, включают кремниевые нанопроволоки, которые расширяются и сжимаются, поглощая и выделяя ионы лития, и крошечные яйцеобразные структуры с углеродными оболочками, защищающими богатые литием кремниевые желтки.

Amprius уже поставляет аккумуляторы для телефонов с силиконовыми электродами, которые хранят на 10% больше энергии, чем лучшие традиционные литий-ионные аккумуляторы на рынке.Еще один прототип превосходит стандартные батареи на 40%, и в разработке находятся еще лучшие. Пока что компания не производит аккумуляторы для электромобилей (EV), но если технологии, которые изучает Cui, оправдают свои обещания, компания однажды сможет поставить автомобильные аккумуляторы, способные хранить до 10 раз больше энергии, чем сегодняшние лучшие производители. . Это могло бы дать электромобилям со скромной ценой такой же диапазон, как и у моделей с газом — революционное достижение, которое может помочь странам снабжать свои автопарки электричеством, вырабатываемым солнечной и ветровой энергией, что значительно сокращает выбросы углекислого газа.

Цуй говорит, что, когда он начал свое исследование, «я хотел изменить мир, а также разбогатеть, но в основном изменить мир». Его поиски выходят за рамки батарей. Его лаборатория изучает нанотехнологические инновации, которые порождают новые компании, стремящиеся предоставлять более дешевые и эффективные системы очистки воздуха и воды. Но пока что Цуй оставил свой самый четкий след в отношении батарей. Луо называет свой подход «нетрадиционным и удивительным». Цзюнь Лю, ученый-материаловед из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории в Ричленде, штат Вашингтон, выразился более прямо: нанотехнологический вклад Цуй в аккумуляторные технологии «огромен.”

Сделать скачок в аккумуляторных технологиях на удивление сложно. Несмотря на то, что основная инновация Кремниевой долины, компьютерный чип, на протяжении десятилетий демонстрировала экспоненциальный прирост производительности, аккумуляторы отставали. Лучшие на сегодняшний день литий-ионные элементы выдерживают около 700 ватт-часов на литр. Это примерно в пять раз больше плотности энергии никель-кадмиевых батарей середины 1980-х годов — неплохо, но не захватывающе. За последнее десятилетие удвоилась плотность энергии лучших коммерческих аккумуляторов.

Пользователи батарей хотят большего.Согласно двум недавним отчетам исследовательских фирм Transparency Market Research и Taiyou Research, рынок только литий-ионных батарей к 2020 году превысит 30 миллиардов долларов в год. Рост производства электромобилей автомобильными компаниями, в том числе Tesla, General Motors и Nissan, частично объясняет этот рост.

Но современные электромобили оставляют желать лучшего. Для Tesla Model S, в зависимости от конкретной модели, одни только батареи мощностью от 70 до 90 киловатт-часов весят 600 килограммов и составляют около 30 000 долларов от цены автомобиля, которая может превышать 100 000 долларов.Тем не менее, они могут проехать на машине всего около 400 километров без подзарядки, что значительно меньше, чем у многих обычных автомобилей. Nissan Leaf намного дешевле, с ориентировочной ценой около 29 000 долларов. Но с меньшим аккумулятором его диапазон составляет всего около одной трети от Tesla.

Улучшение аккумуляторов может иметь большое значение. Удвоение плотности энергии аккумулятора позволило бы автомобильным компаниям сохранить запас хода на прежнем уровне, уменьшив вдвое размер и стоимость аккумулятора — или сохранить размер аккумулятора постоянным и удвоить запас хода автомобиля.«Приближается эпоха электромобилей», — говорит Цуй. Но для того, чтобы электромобили взяли верх, «мы должны работать лучше».

Он осознал необходимость в начале своей карьеры. После получения степени бакалавра в своем родном Китае в 1998 году Цуй перешел сначала в Гарвардский университет, а затем в Калифорнийский университет (UC) в Беркли, чтобы получить степень доктора философии. и постдок в лабораториях, которые были первопроходцами в синтезе наноразмерных материалов. Это были первые дни нанотехнологий, когда исследователи изо всех сил пытались понять, как создавать именно те материалы, которые им нужны, а мир приложений только начинал формироваться.

Находясь в Калифорнийском университете в Беркли, Цуй проводил время с коллегами по соседству в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (LBNL). В то время директором LBNL был Стивен Чу, который подтолкнул лабораторию к созданию технологий возобновляемой энергии, которые могли бы бороться с изменением климата, в том числе более совершенных аккумуляторов для хранения чистой энергии. (Позже Чу занимал пост министра энергетики президента Барака Обамы с 2009 по 2013 год.)

«Вначале я не думал об энергии. Я никогда не работал с батареями », — говорит Цуй.Но Чу и другие внушили ему, что нанотехнологии могут дать батареям преимущество. Как теперь говорит Чу, он предлагает «новую ручку, которую можно повернуть, и очень важную», позволяющую исследователям контролировать не только химический состав материалов в мельчайших масштабах, но и расположение атомов внутри них — и, таким образом, то, как химические реакции с их участием продолжаются.

После переезда в Стэнфорд Цуй быстро заинтересовался связью между нанотехнологиями и электрохимией, которая заставляет батареи работать, и объясняет их ограничения.Возьмите литий-ионные аккумуляторные батареи. В принципе, эти батареи просты: они состоят из двух электродов, разделенных мембранным «разделителем», и жидкого электролита, который позволяет ионам скользить вперед и назад между электродами. Когда батарея заряжается, ионы лития выделяются из положительного электрода или катода, который состоит из литиевого сплава, обычно оксида лития-кобальта или фосфата лития-железа. Они притягиваются к отрицательно заряженному электроду, называемому анодом, который обычно изготавливается из графита.Там они прижимаются к графитовым слоям атомов углерода. Напряжение от внешнего источника питания управляет всей миграцией ионной массы, сохраняя энергию.

Когда устройство, скажем, электроинструмент или автомобиль, включено и потребляет энергию, батарея разряжается: атомы лития в графите отдают электроны, которые проходят через внешнюю цепь к катоду. Тем временем ионы лития выскальзывают из графита и проникают через электролит и сепаратор к катоду, где встречаются с электронами, которые прошли через цепь (см. Диаграмму ниже).

Графика / Интерактивность: В. Алтунян / Наука

Nano спешит на помощь

Cui и его коллеги применили несколько решений, вдохновленных нанотехнологиями, для предотвращения разрушения кремниевых анодов и предотвращения побочных реакций, разрушающих аккумулятор.

Графит — это современный анодный материал, потому что он обладает высокой проводимостью и, таким образом, легко передает собранные электроны на металлические провода в цепи.Но графит так себе только собирает ионы лития во время зарядки. В графите требуется шесть атомов углерода, чтобы удержать один ион лития. Этот слабый захват ограничивает количество лития, которое может удерживать электрод, и, следовательно, сколько энергии может хранить батарея.

Кремний может добиться большего. Каждый атом кремния может связываться с четырьмя ионами лития. В принципе, это означает, что анод на основе кремния может хранить в 10 раз больше энергии, чем анод, сделанный из графита. Электрохимики на протяжении десятилетий тщетно пытались задействовать эту огромную мощность.

Сделать аноды из кусков кремния достаточно просто; проблема в том, что аноды недолговечны. Когда аккумулятор заряжается и ионы лития устремляются к атомам кремния, материал анода разбухает на 300%. Затем, когда ионы лития выбегают во время цикла разряда батареи, анод снова быстро сжимается. После всего лишь нескольких циклов таких пыток кремниевые электроды ломаются и в конечном итоге распадаются на крошечные изолированные зерна. Анод — и батарея — крошится и умирает.

Цуй думал, что сможет решить проблему. Его опыт работы в Гарварде и Калифорнийском университете в Беркли научил его, что наноматериалы часто ведут себя иначе, чем материалы в больших объемах. Во-первых, у них гораздо более высокий процент атомов на поверхности по сравнению с их количеством внутри. А поскольку поверхностные атомы имеют меньшее количество соседей, удерживающих их на месте, они могут легче перемещаться в ответ на напряжения и деформации. Другие типы атомного движения объясняют, почему тонкие листы алюминиевой фольги или бумаги могут сгибаться, не ломаясь, легче, чем куски алюминиевого металла или дерева.

В 2008 году Куи подумал, что изготовление кремниевого анода из кремниевых наноразмерных проволок может снизить напряжение и деформацию, которые измельчают массивные кремниевые аноды. Стратегия сработала. В статье, опубликованной в Nature Nanotechnology, Куй и его коллеги показали, что когда ионы лития перемещаются в кремниевые нанопроволоки и выходят из них, нанопроволоки мало повреждаются. Даже после 10 повторных циклов зарядки и разрядки анод сохранил 75% своей теоретической емкости хранения энергии.

К сожалению, кремниевые нанопроволоки гораздо сложнее и дороже создавать, чем массивный кремний.Цуй и его коллеги начали придумывать способы сделать более дешевые кремниевые аноды. Во-первых, они нашли способ изготовить аноды литий-ионных аккумуляторов из сферических наночастиц кремния. Хотя они потенциально дешевле, они столкнулись со второй проблемой: сжатие и набухание наночастиц по мере того, как атомы лития перемещались внутрь и наружу, открывали трещины в клее, которые связывали наночастицы вместе. Жидкий электролит просачивался между частицами, вызывая химическую реакцию, которая покрывала их непроводящим слоем, известным как межфазный слой твердого электролита (SEI), который в конечном итоге стал достаточно толстым, чтобы нарушить способность анода собирать заряд.«Это похоже на рубцовую ткань», — говорит Юйчжан Ли, аспирант лаборатории Цуй.

Несколько лет спустя Цуй и его коллеги нашли еще одно нанотехнологическое решение. Они создали яйцеобразные наночастицы, окружив каждую из своих крошечных кремниевых наночастиц — желток — углеродной оболочкой с высокой проводимостью, через которую могли легко проходить ионы лития. Оболочка давала атомам кремния в желтке достаточно места для набухания и сжатия, одновременно защищая их от электролита и реакций, образующих слой SEI.В статье 2012 года в Nano Letters команда Куи сообщила, что после 1000 циклов зарядки и разрядки их анод в виде желточной оболочки сохранил 74% своей емкости.

Спустя 2 года они стали еще лучше. Они собрали пучки наночастиц из желточной оболочки в микрометровые коллекции, напоминающие миниатюрные гранаты. Объединение кремниевых сфер в группы увеличило емкость лития анода и уменьшило нежелательные побочные реакции с электролитом. В февральском выпуске журнала Nature Nanotechnology за 2014 год группа сообщила, что батареи на основе нового материала сохранили 97% своей первоначальной емкости после 1000 циклов зарядки и разрядки.

Создав свою компанию по производству аккумуляторов, Цуй планирует запустить стартапы, которые применяют нанотехнологии для очистки воздуха и воды.

Ной Бергер

Ранее в этом году Цуй и его коллеги сообщили о решении, которое превосходит даже их сложные сборки из граната. Они просто забили крупные частицы кремния до микрометрового размера, а затем обернули их тонкими углеродными пластинами из графена.Забитые частицы оказались больше кремниевых сфер в гранатах — настолько большими, что они сломались после нескольких циклов зарядки. Но графеновая упаковка не позволяла соединениям электролита достигать кремния. Кроме того, он был достаточно гибким, чтобы поддерживать контакт с раздробленными частицами и, таким образом, переносить их заряды на металлические проволоки. Более того, как сообщила команда в Nature Energy, более крупные частицы кремния упаковывали больше массы — и, следовательно, больше энергии — в заданный объем, и они были намного дешевле и проще в изготовлении, чем гранаты.«Он действительно направил эту работу в правильном направлении», — говорит Цзюнь Лю.

Опираясь на эти идеи, компания Amprius собрала более 100 миллионов долларов на коммерциализацию литий-ионных батарей с кремниевыми анодами. Компания уже производит аккумуляторы для мобильных телефонов в Китае и продала более 1 миллиона из них, говорит Сун Хан, технический директор компании. Батареи на основе простых кремниевых наночастиц, которые дешевы в производстве, всего на 10% лучше, чем современные литий-ионные элементы.Но в штаб-квартире Amprius Хан продемонстрировал прототипы кремниевых нанопроводов, которые на 40% лучше. И это, по его словам, все еще представляет собой только начало того, насколько хорошими кремниевые аноды в конечном итоге станут.

Теперь Цуй смотрит не только на кремний. Одной из основных задач является изготовление анодов из чистого металлического лития, который долгое время считался лучшим анодным материалом, поскольку он может хранить даже больше энергии, чем кремний, и намного легче.

Но и здесь были серьезные проблемы.Во-первых, слой SEI обычно образуется вокруг металлического литиевого электрода. В данном случае это действительно хорошая новость: ионы лития могут проникать через слой, поэтому SEI действует как защитная пленка вокруг литиевого анода. Но во время цикла батареи металл набухает и сжимается так же, как частицы кремния, и пульсация может разрушить слой SEI. Затем ионы лития могут накапливаться в трещине, в результате чего из электрода вырастает металлический шип, известный как дендрит. «Эти дендриты могут проткнуть сепаратор батареи, вызвать короткое замыкание батареи и вызвать возгорание», — говорит Яюань Лю, другой аспирант в группе Цуй.

Обычные подходы не решили проблему. Но нанотехнологии могут. В одном из подходов к предотвращению образования дендритов команда Куи стабилизирует слой SEI, покрывая анод слоем связанных между собой наноуглеродных сфер. В другом они создали новый тип частиц желточной оболочки, состоящий из наночастиц золота внутри гораздо более крупных углеродных оболочек. Когда нанокапсулы превращаются в анод, золото притягивает ионы лития; Оболочки дают литию пространство для усадки и набухания без растрескивания слоя SEI, поэтому дендриты не образуются.

Улучшение анодов — это только половина дела при создании лучших аккумуляторов. Команда Куи применила аналогичный наноиндуцированный подход к улучшению катодных материалов, в частности серы. Как и кремний на анодной стороне, сера долгое время считалась заманчивым вариантом для катода. Каждый атом серы может содержать пару литий, что в принципе позволяет в несколько раз увеличить накопление энергии по сравнению с обычными катодами. Не менее важно то, что сера очень дешевая. Но и с этим есть проблемы.Сера — относительно скромный электрический проводник, и она реагирует с обычными электролитами с образованием химикатов, которые могут убить батареи после нескольких циклов зарядки и разрядки. Серные катоды также имеют тенденцию накапливать заряды, а не отказываться от них во время разряда.

В поисках нанораствора команда Куи заключила частицы серы в оболочки из высокопроводящего диоксида титана, увеличив емкость батареи в пять раз по сравнению с традиционными конструкциями и предотвратив отравление побочными продуктами серы.Исследователи также создали версии своих гранатов на основе серы, и они удерживали серу внутри длинных тонких нановолокон. Эти и другие нововведения не только увеличили емкость батареи, но и подняли показатель, известный как кулоновский КПД, то есть насколько хорошо батарея высвобождает заряд, с 86% до 99%. «Теперь у нас есть большая емкость с обеих сторон электрода», — говорит Цуй.

По словам Цуй, в будущем он намерен объединить оба своих ключевых нововведения. Соединяя кремниевые аноды с серными катодами, он надеется создать дешевые батареи большой емкости, которые могут изменить способ питания устройств в мире.«Мы думаем, что если мы сможем заставить это работать, это окажет большое влияние», — говорит Цуй.

Это может помочь ему изменить мир и стать богатым на стороне.

Как создать более безопасную и энергоемкую литий-ионную батарею

Не проходит и месяца , чтобы не было шокирующих новостей о возгорании литий-ионных аккумуляторов: горят ноутбуки, авиалинии сажают на землю, ховерборды загораются. Пожары 2016 года внутри смартфона Samsung Galaxy Note 7 привели к отзыву модели на 5 миллиардов долларов, а затем к прекращению производства этой модели, что в совокупности снизило рыночную капитализацию Samsung на многие миллиарды.

В январе 2017 года, после нескольких месяцев спекуляций, Samsung объявила, что две отдельные проблемы конструкции привели к сбою в работе батареи, что привело к перегреву некоторых устройств. То, что различные недостатки конструкции могут привести к одному и тому же катастрофическому результату, подчеркивает нестабильную по своей природе природу современных литий-ионных аккумуляторов. Таким образом, любой мобильный продукт, включающий их, потенциально небезопасен.

Эта опасность является результатом конструкторских и производственных решений, принятых четверть века назад, когда этот тип батарей был первоначально коммерциализирован.В то время эти решения имели смысл, но сегодня мы можем добиться большего, прежде всего за счет использования технологий производства, отточенных в отрасли производства микросхем. Наша компания Enovix Corp. из Фремонта, штат Калифорния, сделала именно это, и мы продемонстрировали, что можем производить литий-ионные батареи меньшего размера, менее дорогие и принципиально более безопасные, чем все, что есть сейчас на рынке.

В начале этого года мы начали пилотное производство нашей батареи на нашем дочернем предприятии Enovix на Филиппинах. Мы считаем, что сможем увеличить объем производства и что с массовым производством себестоимость единицы продукции будет снижаться темпами, аналогичными тем, которые достигаются в индустрии солнечных батарей.

Две ключевые проблемы столкнулась с Sony Corp., когда она решила коммерциализировать литий-ионную батарею еще в 1991 году. Для ее портативной видеокамеры — предвестника многих будущих энергоемких портативных устройств — требовалась батарея очень большой емкости в компактном корпусе. . Аудиокассеты быстро уступили место компакт-дискам.

Последнее актуально, потому что магнитная записывающая лента для аудиокассет производилась на производственных линиях, которые покрывали пластиковую пленку магнитной суспензией, сушили ее, разрезали на длинные полосы и скатывали их.Поскольку для производства компакт-дисков использовался совершенно другой процесс производства, Sony внезапно обнаружила избыток оборудования для производства магнитной записывающей ленты и технических специалистов для работы с этими машинами. Менеджеры подразделения аккумуляторов Sony поняли, что они могут решить проблему одним махом, используя то же производственное оборудование и персонал для нанесения химических суспензий на металлическую фольгу, ее сушки и разрезания на электродные листы. Затем, чтобы сформировать сердечник батареи, два листа были прослоены полимерным сепаратором, который позволяет ионам, но не электронам, течь между электродами, и весь пакет был намотан вместе, как рулон желе.Эта же производственная модель, построенная на основе токосъемников из металлической фольги с покрытием, с тех пор используется производителями литий-ионных аккумуляторов.

Эта конструкция была продуманной, но она усложнила задачу улучшения этих батарей в долгосрочной перспективе. Во-первых, это тратит впустую пространство.

В собранной батарее единственными материалами, которые хранят энергию, являются частицы, составляющие анод (отрицательный электрод) и катод (положительный электрод). Токосъемники, сепараторы и упаковочные материалы из металлической фольги, а также пустое пространство обычно составляют не менее 40 процентов от общего объема.Наличие такого большого пространства, предназначенного для чего-то другого, кроме хранения энергии, снижает удельную энергию батареи, которая обычно измеряется в ватт-часах на литр (Втч / л).

Например, обычная конструкция литий-ионного элемента для мобильных устройств обычно включает наматывание электродных листов и разделителя вместе, а затем сплющивание полученной спирали, чтобы она поместилась в тонкий металлический корпус или пластиковый пакет. Для этого процесса требуется заготовка определенной длины, то есть без покрытия, токосъемник и разделитель в начале и в конце, которые занимают объем, но не накапливают энергию.Также можно оставить пустое пространство в центре ячейки и по обеим сторонам ячейки, где оно закруглено из-за свернутой конструкции.

Полимерный разделитель является неактивным материалом и должен быть физически длиннее и шире электродов, чтобы края электродов не касались друг друга. Один из способов увеличить плотность энергии — уменьшить размер сепаратора. Однако если он станет слишком тонким, аккумулятор склонен к короткому замыканию.

Другой проблемой является присутствие микроскопических металлических частиц, неизбежно появляющихся во время сборки, которые могут накапливаться в электрически активном месте, создавая большое короткое замыкание, которое шунтирует ток между электродами, чтобы резко повысить температуру.Это тепло, в свою очередь, может повлиять на соседние области, вызывая так называемое тепловое бегство, которое может вызвать взрыв и пожар. Уничтожить металлические частицы практически невозможно, потому что они образуются станками для резки, прокатки и намотки в процессе производства и сборки.

Дополнительные проблемы могут возникнуть во время зарядки, когда ионы лития текут от катода из оксида металлического лития к графитовому аноду (стандартный анодный материал практически во всех литий-ионных аккумуляторах, используемых в мобильных устройствах).Обычно ионы лития входят в зазоры в структуре кристаллической решетки графита — процесс, известный как интеркаляция. Но высокий ток заряда, локальная нехватка активного анодного материала или низкая температура окружающей среды могут привести к тому, что ионы лития вместо этого окажутся на поверхности анода. Металлический литий затем может накапливаться в виде нитевидных структур, известных как дендриты, которые растут по мере заряда и разряда ячейки, в конечном итоге пробивая сепаратор и создавая короткое замыкание, что может привести к тепловому выходу из строя.Наконец, обычные литий-ионные батареи могут стать нестабильными, если они станут слишком теплыми, что также может привести к тепловому разгоне.

Эти проблемы были компенсированы большим преимуществом литий-ионных аккумуляторов по сравнению с никель-кадмиевым — предыдущим стандартом для аккумуляторных батарей в бытовой электронике. Но с тех пор, как была представлена литий-ионная батарея, ее удельная энергия улучшилась всего примерно на 5 процентов в год. Это связано с производственными ограничениями и медленными темпами разработки новых материалов для электродов и электролита.Между тем, потребности мобильных устройств — особенно смартфонов, планшетов и носимых устройств — в электроэнергии растут во много раз быстрее.

К счастью, другие методы, заимствованные из полупроводниковой промышленности, могут работать намного лучше.

Микроэлектромеханические системы (MEMS), изготовленные в трех измерениях с помощью фотолитографии, послужили моделью для исследования, которое один из нас (Лахири) и двое других соучредителей нашей компании начали в 2007 году. У нас уже был опыт разработки таких конструкций MEMS — первоначально для использования в головках чтения-записи дисков с высокой плотностью записи, а затем для тестирования полупроводниковых пластин.

В результате этого сотрудничества была основана Enovix Corp. (первоначально называвшаяся microAzure Corp.) и начальное финансирование компании несколькими фирмами венчурного капитала Кремниевой долины. Первой целью компании было провести экспериментальное исследование литий-ионной перезаряжаемой батареи, в которой вместо обычного графита в качестве анода использовался кремний. К 2012 году компания производила элементы, которые имели гораздо более высокую плотность энергии, чем обычные литий-ионные элементы сопоставимого размера. Затем Enovix приступила к разработке недорогой крупносерийной производственной системы с помощью стратегических инвесторов Cypress Semiconductor, Intel Capital и Qualcomm Ventures.

Cypress Semiconductor ранее помогала своей дочерней компании SunPower производить высокоэффективные солнечные элементы с гораздо меньшими затратами и в больших объемах, чем могли бы сделать другие компании с их сложными многоступенчатыми процессами. С 2014 года Enovix разрабатывает и совершенствует методы изготовления своей батареи, основанные на производственных технологиях SunPower.

В батарее Enovix используется трехмерная архитектура ячеек, в которой электроды вытравлены на кремниевой пластине и покрыты металлическими токоприемниками, которые намного тоньше фольги, используемой в обычных элементах.За счет чередования катода, анода и разделителя на пластине толщиной 1 миллиметр значительно сокращается ненужное пространство. В нашей батарее полные 75 процентов объема предназначены для хранения энергии. Одно это увеличивает емкость примерно на 25 процентов по сравнению с обычными ячейками. Точно так же вес уменьшается пропорционально для батареи заданной емкости, хотя обычно объем является более важным ограничением для мобильных устройств.

В нашей архитектуре с плоскими ячейками можно в полной мере использовать преимущества ряда достижений в области химии электродов.Чтобы понять, почему это так, вам нужно немного больше узнать о том, как работает обычный литий-ионный аккумулятор, в частности о том, как графитовый анод поглощает ионы лития, когда аккумулятор заряжается, и выбрасывает их обратно в электролит, когда аккумулятор разряжается. . На аноде один атом лития соединяется с шестью атомами углерода в графите с образованием LiC ₆. Это дает графиту теоретическую удельную емкость около 372 миллиампер-часов на грамм. Поскольку соотношение атомов лития и углерода составляет 1: 6, происходит лишь небольшое набухание.

Вместо графита в качестве материала анода используется кремний. Кремний привлекателен, поскольку он образует сплав Li ₂₂ Si ₅. Это очень высокое соотношение лития и кремния позволяет кремнию накапливать около 4200 мАч / г, невероятное количество. Но повышенное поглощение кремнием ионов лития может вызвать его набухание до 400 процентов.

Конечно, любая конструкция, которая использует увеличенную емкость кремниевого анода, должна соответствовать ей на другом конце, увеличивая толщину катода или используя более качественный материал.Обычно используемые катоды, такие как оксид лития-кобальта (LCO), оксид лития-никель-марганца-кобальта (NMC) и оксид лития-никель-кобальт-алюминия (NCA), имеют полезную емкость 140 мАч / г, 170 мАч / г и 185 мАч / г. соответственно. Прямо сейчас мы используем катод NCA, размер которого соответствует емкости кремниевого анода. Однако мы можем использовать любой из обычных литий-ионных катодных материалов, и эта гибкость должна позволить нам соответствовать требованиям конкретных приложений.

Хотя можно добавить кремний в аноды аккумуляторов, производимых традиционным способом, вы не можете добавить слишком много.Это связано с тем, что по мере того, как кремний поглощает литий и расширяется, он в конечном итоге отделяет анод от токосъемника из металлической фольги. Это объясняет, почему коммерческие литий-ионные аккумуляторы до сих пор ограничиваются смесью кремния и графита от 5 до 10 процентов.

Enovix решает эту проблему, делая свой кремний пористым, так что расширение сжимает его крошечные внутренние полости, а не разбухает весь анод. Эта особенность поддерживает структурную целостность соединения между анодом и его токосъемником во время повторяющихся циклов заряда-разряда.Эта способность контролировать расширение анода является одним из ключевых преимуществ нашей системы по сравнению с традиционной архитектурой литий-ионных аккумуляторов, которую впервые разработала Sony.

В зависимости от размера и толщины наши элементы упаковывают в заданный объем от 1,5 до 3 раз больше энергии, чем обычные литий-ионные элементы. Поскольку наша аккумуляторная архитектура позволяет использовать более широкий спектр электродных материалов, мы рассчитываем воспользоваться преимуществами продолжающихся исследований в области материалов, которые до сих пор улучшали производительность обычных аккумуляторов примерно на 5 процентов в год.Но поскольку мы также можем использовать будущее повышение эффективности в рамках нашей структурной конструкции, мы ожидаем, что удельная энергия наших батарей будет улучшаться в два-три раза быстрее, чем у обычных батарей.

Еще одно большое преимущество нашей конструкции — повышенная безопасность. Как нам этого добиться? Во-первых, мы используем лучший разделитель.

В обычном литий-ионном элементе сепаратор обычно изготавливается из пластика или полимера, поскольку он должен быть достаточно гибким, чтобы его можно было свернуть.В результате обычные сепараторы с большей вероятностью выйдут из строя при высоких температурах. В нашу плоскую конструкцию можно установить керамический сепаратор , который намного более устойчив к нагреванию.

Кроме того, способность нашего кремниевого анода абсорбировать литий без разбухания делает его менее восприимчивым к литиевому покрытию даже при высоком токе заряда. Если в любом случае произойдет короткое замыкание, мы используем множество распределенных электродов — в отличие от длинных листов — ограничит ток, который может протекать между любой отдельной парой анод / катод, что значительно снижает риск теплового разгона.

Производство Fab: стандартное оборудование для производства солнечных элементов производит трехмерные кремниевые пластины на экспериментальном предприятии Enovix во Фремонте, Калифорния. Фото: Enovix Corporation

Наша катодная конструкция также более безопасна. Обычно, когда материал катода достигает критической температуры (что может произойти при коротком замыкании), он самопроизвольно разрушается, выделяя кислород, который может разжечь огонь. Этот пробой может переходить от катодной частицы к катодной частице, когда следующая частица достигает критической температуры, вызывая тепловой разгон.Наша архитектура разбивает катод на сотни или тысячи крошечных сегментов, разделенных кремнием, который проводит тепло почти так же хорошо, как алюминий, что затрудняет начало безудержной реакции. В отличие от этого, катод обычной батареи с обмоткой представляет собой один длинный лист, позволяющий неуправляемым реакциям быстро распространяться по устройству.

Все эти характеристики, вместе взятые, по существу исключают опасность взрыва и пожара.

Недавно мы сравнили наш прототип носимого устройства с аналогичным коммерческим литий-ионным аккумулятором, намеренно создав опасный сценарий.Мы перезарядили обычный литий-ионный аккумулятор емкостью 130 мАч и наш кремниевый литий-ионный аккумулятор емкостью 100 мАч до 250 процентов емкости и одновременно проткнули упаковку каждого из них (с помощью стандартного теста на проникновение гвоздя). Обычный литий-ионный элемент загорелся, а наш кремниевый литий-ионный элемент — нет.

Чтобы изготовить батарею Enovix, мы начнем с кремниевой пластины толщиной 1 миллиметр. Это не обязательно должен быть материал для микросхем — это может быть тот же недорогой материал, который используется для производства солнечных элементов.На пластину мы наносим фотолитографическую маску и травим требуемый рисунок с помощью типичных кремниевых травителей, заимствованных из солнечной промышленности. Поскольку узор может различаться по форме — квадратной, прямоугольной, круглой, овальной, шестиугольной, а также по длине и ширине, у нас есть возможность формировать самые разные конструкции ячеек. Силикон, оставшийся там, где была помещена маска, образует аноды и «основу» структуры переплетенных ячеек.

Затем мы выборочно наносим тонкий слой металлической пленки на аноды и основы для формирования токоприемников, а затем наносим керамический сепаратор вокруг коллектора на аноды.Поскольку аноды и магистрали электрически не соединены на пластине, мы можем выборочно гальванизировать различные покрытия на каждом из них. Для создания катодов мы вводим обычную катодную суспензию, заполняя оставшиеся пустоты в пластине. Затем лазер срезает с пластины одну матрицу толщиной 1 мм за другой, при этом поперечные размеры каждой матрицы приблизительно соответствуют размерам окончательной батареи. Затем к каждой матрице прикрепляются положительные и отрицательные язычки, которые запекаются для удаления влаги и укладываются друг на друга, чтобы сформировать батарею нужной высоты.Все язычки соединяются, образуя один положительный и отрицательный язычки для ячейки, и полученная в результате пакетная ячейка затем помещается в металлическую банку, которая заполняется электролитом, герметизируется и тестируется.

Архитектура, фотолитография кремниевых пластин и процесс травления, которые мы используем, сравнимы с тем, что используется в трехмерной МЭМС. Поэтому мы назвали наше устройство кремниевой литий-ионной батареей 3D. Мы сравнили прототип с обычной литий-ионной батареей того же форм-фактора, разработанной для использования в умных часах (размер батареи 18 на 27 на 4 мм).Наши внутренние тесты показали, что наша батарея имеет гораздо более высокую емкость и соответствующее увеличение плотности энергии — 695 Втч / л по сравнению с 460 у обычных элементов.

Большая часть этой производственной технологии, конечно же, исходит от бизнеса солнечных батарей. Прогресс в этой области, вызванный огромными инвестициями в НИОКР по всему миру, сразу объясняет низкую стоимость нашего производственного подхода и вероятность того, что его эффективность и масштаб продолжатся.

Потребители стремятся к более качественным и мощным батареям для своих мобильных устройств, как показывают исследования.Наиболее требовательными являются носимые устройства и микросенсоры, которые создаются для Интернета вещей. В таких устройствах Интернета вещей даже меньше места для батарей, чем в планшетах и смартфонах.

Это не первый случай, когда фотолитография и производство пластин внезапно изменили целые отрасли промышленности. Это произошло впервые, когда в компьютерах стали использоваться интегральные схемы. Эти методы изготовления были также применены к освещению, которое перешло от люминесцентных ламп к светодиодам и к видеодисплеям, которое перешло от электронно-лучевых трубок к жидкокристаллическим дисплеям.

Мы считаем, что применяемый нами подход приведет к аналогичной трансформации на рынке литий-ионных аккумуляторов. Изменения сначала появятся в носимых устройствах, затем в IoT и телефонах и, в конечном итоге, в электромобилях и хранилищах сетей по мере увеличения объемов и снижения производственных затрат. Это изменение уже произошло в солнечной отрасли.

С более безопасными, тонкими и энергоемкими батареями дизайнеры получат больше возможностей для создания революционных продуктов.Ожидайте, что мобильные устройства станут меньше, будут дольше работать без подзарядки и будут продолжать предоставлять удивительные новые возможности для улучшения нашей жизни.

Эта статья была обновлена 16 февраля 2018 г. В печатном журнале за март 2018 г. она опубликована как «Создание более безопасной и плотной литий-ионной батареи».

Об авторах

Ашок Лахири, Нирав Шах и Кэмерон Дейлз работают в Enovix Corp., базирующейся во Фремонте, Калифорния. Лахири, технический директор, стал соучредителем компании в 2007 году.

ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЛИСТ

: 100-дневный обзор цепочки поставок аккумуляторных батарей администрацией Байдена-Харриса

25 февраля 2021 года президент Байден подписал Указ 14017, который предписывал администрации немедленно начать 100-дневную проверку для разработки стратегического процесса устранения уязвимостей и возможностей в цепочках поставок четырех ключевых продуктов, включая усовершенствованные аккумуляторы. Отчет по усовершенствованным батареям, подготовленный Министерством энергетики (DOE), и его рекомендации были представлены президенту, и сегодня администрация Байдена объявляет о ряде немедленных действий, которые она предпримет для того, чтобы U.С. более конкурентоспособен на рынке аккумуляторов. Администрация также рекомендует Конгрессу сделать критически важные инвестиции для расширения возможностей Америки по производству аккумуляторов большой емкости и продуктов, в которых используются аккумуляторы, например электромобилей и стационарных аккумуляторов.

Усовершенствованные аккумуляторные батареи большой емкости играют неотъемлемую роль в технологиях 21 ^st века, которые имеют решающее значение для перехода к чистой энергии и возможностей национальной безопасности во всем мире — от электромобилей до стационарных накопителей энергии и оборонных приложений.Спрос на эти продукты будет расти по мере роста ограничений цепочки поставок, геополитической и экономической конкуренции, а также других факторов уязвимости.

Сегодня Америка в значительной степени полагается на импорт материалов для изготовленных современных аккумуляторных блоков из-за границы, подвергая страну уязвимостям цепочки поставок, которые угрожают нарушить доступность и стоимость критически важных технологий, которые зависят от них, и рабочей силы, которая их производит. Поскольку ожидается, что к 2030 году мировой рынок литиевых батарей вырастет в пять-десять раз, крайне важно, чтобы Соединенные Штаты немедленно инвестировали в расширение безопасной и диверсифицированной цепочки поставок аккумуляторов большой емкости здесь, у себя дома.Это означает использование критически важной возможности для увеличения отечественного производства аккумуляторов при одновременном инвестировании в масштабирование всей цепочки поставок литиевых аккумуляторов, включая устойчивые источники и переработку критически важных минералов, используемых в производстве аккумуляторов, вплоть до сбора и переработки аккумуляторов с истекшим сроком службы. .

Благодаря тесному сотрудничеству федерального правительства с заинтересованными сторонами в промышленности США, исследовательским сообществом и международными союзниками США должны разработать долговременную стратегию, которая инвестирует и масштабирует наши потенциальные промышленные возможности для решения этой задачи.Успех обеспечит экономическую конкурентоспособность страны, создаст рабочие места для американских рабочих в национальном производстве и позволит Америке возглавить развивающийся рынок, разрабатывающий продукты, которые будут иметь решающее значение для нашей национальной безопасности и будущего экологически чистой энергии.

Незамедлительные действия по укреплению отечественной цепочки поставок передовых аккумуляторов:

Ужесточение производственных требований США в рамках финансируемых из федерального бюджета грантов, соглашений о сотрудничестве и контрактов на исследования и разработки (НИОКР) . Министерство энергетики объявило сегодня о новой политике, которая гарантирует, что все инновации, разрабатываемые на деньги налогоплательщиков в рамках программ Министерства энергетики и науки и энергетики, требуют, чтобы участники конкурса в основном производили эти продукты в Соединенных Штатах, создавая хорошо оплачиваемые рабочие места внутри страны. DOE будет реализовывать эти действия посредством определения исключительных обстоятельств в соответствии с Законом Бейя-Доула, который будет применяться ко всем научным и энергетическим программам DOE, включая финансирование, которое поддерживает НИОКР для всех приложений современных аккумуляторов, таких как электромобили, стационарные хранилища и другие виды использования.Это изменение политики покроет более 8 миллиардов долларов на финансирование инноваций в области климата и энергетики, запрошенное в бюджете Министерства энергетики на 22 финансовый год, в том числе более 200 миллионов долларов на поддержку исследований, разработок и демонстрации аккумуляторных технологий, гарантируя, что эти доллары налогоплательщиков будут поддерживать производство в США, а не экспорт. Рабочие места на производстве в США.
Приобрести стационарный аккумулятор . В поддержку цели администрации по обеспечению 100% чистой электроэнергии к 2035 году Федеральная программа управления энергопотреблением (FEMP), базирующаяся в Министерстве энергетики США, запускает общегосударственную диагностику возможностей накопления энергии, которая оценит текущие возможности для размещение аккумуляторных батарей на федеральных объектах.FEMP также объявит конкурс на проекты с федеральных площадок, заинтересованных в развертывании проектов по хранению энергии, и предоставит необходимую техническую помощь для реализации этих проектов. Эти действия основаны на шагах, предпринятых ранее в этом году, по привлечению 13 миллионов долларов в рамках грантов FEMP по оказанию помощи федеральным предприятиям с использованием технологий энергосбережения (AFFECT), чтобы получить около 260 миллионов долларов или более инвестиций в проекты, включая проекты по хранению аккумуляторов.
Финансирование усовершенствованной цепочки поставок аккумуляторов для электромобилей. Управление кредитных программ (LPO) Министерства энергетики опубликовало руководство и информационный бюллетень, чтобы прояснить различные варианты использования программы ссуды на производство автомобилей с передовыми технологиями (ATVM), полномочия по ссуде которой составляют около 17 миллиардов долларов. Программа ATVM может предоставлять ссуды производителям передовых аккумуляторных батарей для транспортных средств и комплектов для переоборудования, расширения или создания таких производственных мощностей в Соединенных Штатах.
Выпуск национального чертежа для литиевых батарей. Федеральный консорциум по передовым аккумуляторным батареям (FCAB), возглавляемый Министерством энергетики и включающий другие ключевые федеральные агентства, также участвует в поддержке отечественной цепочки поставок передовых аккумуляторов. Сегодня FCAB выпустил «Национальный план для литиевых батарей», чтобы систематизировать результаты отчета Advanced Battery Supply Chain EO Report в рамках 10-летнего общегосударственного плана по срочному развитию внутренней цепочки поставок литиевых батарей, которая создаст справедливые рабочие места для экономии чистой энергии в Америка.

Отчет Министерства энергетики рекомендует Конгресс:

Катализируйте частный капитал с помощью новых федеральных грантовых программ. В соответствии с Американским планом занятости, мы рекомендуем Конгрессу создать программу грантов с разделением затрат для поддержки производства аккумуляторных элементов и батарей в США. Эта модель помогает предпринимателям, которые не имеют возможности получить доступ к налоговым льготам в краткосрочной перспективе, обеспечивая при этом налогоплательщики получают долю прибыли от инвестиций. Производство аккумуляторных элементов большой емкости в США сосредоточено в небольшом количестве компаний. Создание программы грантов для производства элементов питания могло бы создать ценные рабочие места в производстве, увеличивая при этом более разнообразную и устойчивую промышленную базу.
Электрифицировать парк школьных автобусов страны . Мы рекомендуем Конгрессу выделить нового федерального гранта для субсидирования дополнительных первоначальных затрат на новые школьные автобусы, зарядную инфраструктуру и обучение персонала для ускорения перехода с дизельного топлива и обеспечения уверенности в финансировании поставщиков для расширения их производственных линий. . Первоначальные оценки показывают, что 20 миллиардов долларов могут поддержать перевод 20% существующего парка школьных автобусов на технологии с нулевым уровнем выбросов.Примерно 95% школьных автобусов в Америке в настоящее время работают на дизельном топливе — на сегодняшний день для поддержки перехода на технологию с нулевым уровнем выбросов доступны ограниченные федеральные средства, несмотря на документально подтвержденные преимущества для климата и здоровья от перехода с дизельного двигателя на аккумуляторную электрическую силовую установку.
Ускорить электрификацию национального парка транзитных автобусов . Мы рекомендуем Конгрессу профинансировать грантовую программу Федерального транзитного управления по низким и нулевым выбросам («Lo-No»), чтобы ускорить внедрение транспортных средств с нулевым уровнем выбросов, путем предоставления капитального финансирования транзитным агентствам для выполнения контрактов и обеспечения рыночной уверенности для производителей. производственная мощность.Первоначальные оценки показывают, что программа стоимостью 25 миллиардов долларов могла бы поддержать замену 20 000 транзитных транспортных средств, включая автобусы, а также небольшие маршрутные автобусы, фургоны и автомобили, эксплуатируемые транзитными агентствами.
Предоставлять потребителям скидки и налоговые льготы, чтобы стимулировать внедрение потребителями электромобилей. Мы рекомендуем Конгрессу разрешить новые и расширенные льготы, чтобы стимулировать принятие потребителями электромобилей американского производства. Кроме того, мы рекомендуем Конгрессу выделить 5 миллиардов долларов на электрификацию федерального флота с помощью U.Электромобили производства S. и инвестиции в инфраструктуру в размере 15 миллиардов долларов для создания национальной зарядной инфраструктуры для облегчения внедрения электромобилей в национальном масштабе.
Инвестируйте в производство аккумуляторов большой емкости и продуктов, в которых эти аккумуляторы используются для поддержки хорошо оплачиваемых профсоюзов. Налоговые льготы, ссуды и гранты, предлагаемые предприятиям для производства в США, должны требовать создания качественных рабочих мест с правом на организацию для работников. Мы рекомендуем Конгрессу принять Закон PRO.И новые ассигнования должны включать преобладающие требования к заработной плате, аналогичные тем, которые включены в Закон о восстановлении и реинвестировании Америки от 2009 года. Другие стандарты, которые должны быть включены, включают: (1) обязательный процент найма от зарегистрированного ученичества и других трудовых программ или программ обучения менеджменту; (2) проектный труд, общественный труд и требования местного найма, и (3) соглашения о нейтралитете работодателя.
Разработать строгие методы экологической экспертизы для выдачи разрешений на добычу критически важных полезных ископаемых. Мы рекомендуем Конгрессу разработать законодательство для замены устаревших законов о горнодобывающей промышленности, включая Общий закон о горной промышленности (GML) 1872 года, регулирующий обнаруживаемые полезные ископаемые (включая никель) на федеральных землях, Закон 1947 года об утилизации минералов, обнаруженных на федеральных землях, и Закон о минеральных ресурсах. Закон об аренде земли от 1920 года. Они должны быть обновлены, чтобы иметь более строгие экологические стандарты, современные налоговые реформы, более строгие требования к правоприменению, инспекции и привязке, а также четкие требования к планированию рекультивации.

5 основных факторов, влияющих на КПД промышленных аккумуляторов

Что такое КПД аккумуляторов?

Выбирая аккумулятор для погрузочно-разгрузочного оборудования, занятые менеджеры автопарка задаются одним вопросом: насколько энергоэффективен аккумулятор? Другими словами, сколько мы можем получить за свои деньги?

Эффективность батареи, проще говоря, — это количество энергии, которое вы можете получить от батареи, по отношению к количеству энергии, которое в нее вложено.

Количество энергии, которое вы выделяете, всегда будет меньше, чем затраченное, однако есть определенные факторы, которые будут влиять на эту разницу.

Кулоновский КПД и КПД по напряжению

Энергоэффективность батареи можно измерить двумя способами: кулоновской эффективностью (CE) и эффективностью напряжения.

CE измеряет перенос электронов во время заряда и разряда, а также сколько электронов теряется в течение полного цикла.Для этих измерений часто используется счетчик кулонов. Чем выше CE, тем меньше потери электронов и тем дольше срок службы батареи.

Эффективность напряжения — это разница напряжений при зарядке и разрядке аккумулятора. Эта разница вызвана так называемым перенапряжением.

Каждую аккумуляторную батарею необходимо заряжать при более высоком напряжении, чем напряжение разряда — это различие является ключевым для определения эффективности батареи.

Пять ключевых факторов влияют на эффективность промышленных аккумуляторов и два метода измерения, описанные выше.

Ток заряда
Состояние зарядки
Внутреннее сопротивление
Температура батареи
Возраст батареи

1: Ток заряда

Для литий-ионных аккумуляторов «лучшая практика» зарядки — это поддерживать контроль тока на умеренном уровне, чтобы максимизировать эффективность и срок службы аккумулятора.

Вот почему: во время процесса зарядки происходят изменения во внутреннем химическом составе батареи, и зарядка большим током ухудшает эти эффекты.

Атомы лития и электролиты накапливаются на поверхности графитового анода, образуя слой, называемый границей твердого электролита (SEI), который защищает анод, но также становится толще со временем и может препятствовать доступу ионов к аноду, если он слишком толстый.

На катоде образуется аналогичное скопление ионов лития, которое может вызвать окисление электролита и привести к тепловому разгоне.

Слишком низкий зарядный ток увеличивает срок службы батареи, но снижает ее емкость.Это также неэффективно по времени.

Литий-ионные батареи

часто рассчитаны на зарядку всего за час, поскольку потеря эффективности иногда менее важна, чем потеря времени.

2: Состояние зарядки

Уровень заряда аккумулятора для электромобиля, такого как вилочный погрузчик, эквивалентен датчику уровня топлива — это уровень заряда относительно его емкости в любой данный момент.

На протяжении всего цикла разряда выходное напряжение постепенно падает, так же как и SoC.Литий-ионные батареи имеют гораздо меньшую скорость падения напряжения, чем свинцово-кислотные.

Потеря емкости, которую батареи испытывают при циклической работе при высоких температурах, напрямую связана с их SoC — чем выше SoC, тем больше потеря емкости.

Важно знать о SoC аккумулятора, чтобы максимально повысить его эффективность. Из-за плоской кривой разряда счетчик кулонов часто является единственным способом точно измерить и отследить SoC для литий-ионных.Большинство систем просто измеряют выходное напряжение для оценки SoC, но этот метод может быть неточным и зависит от температуры, поверхностного заряда и возраста.

3: внутреннее сопротивление

На внутреннее сопротивление батареи влияет множество факторов, в том числе размер, возраст, сила тока и химический состав. Чем ниже внутреннее сопротивление, тем легче аккумуляторной батарее. Литий-ионные батареи имеют одно из самых низких внутренних сопротивлений.

В литий-ионных батареях SEI на аноде способствует высокому внутреннему сопротивлению, блокируя взаимодействие с графитом.

Слой SEI важен для функциональности батареи, поскольку он стабилизирует систему и увеличивает срок службы, но его воздействие со временем может увеличивать внутреннее сопротивление.

Производители литий-ионных аккумуляторов используют добавки к электролиту аккумуляторов, чтобы частично снизить этот эффект и предотвратить слишком ограничивающую пленку SEI.

Большинство производителей держат свою формулу присадок в секрете, но обычно используется виниленкарбонат, который очень эффективно поддерживает низкое внутреннее сопротивление с возрастом.

4: Температура батареи

Литий-ионные аккумуляторы следует заряжать при температуре от 32 ° F до 113 ° F и разряжать от -4 ° F до 131 ° F. Их заряд и характеристики разряда остаются хорошими при более высоких температурах по сравнению с другими батареями, но чем больше они подвергаются воздействию высоких температур, тем короче их срок службы.

Когда температура ниже 41 ° F, ток заряда следует уменьшить.

Высокие температуры вызывают окисление катодного электролита, что может привести к внезапной потере емкости.

Зарядка литий-ионной батареи при температуре ниже точки замерзания вызовет постоянное накопление SEI на аноде, что повредит батарею и снизит емкость.

5: Срок службы батареи

Кажется очевидным, что чем больше стареет батарея, тем она менее эффективна, но возраст батареи не измеряется годами.

Как правило, срок службы литий-ионных аккумуляторов составляет 2 000–3 000 циклов, что значительно превышает срок службы свинцово-кислотных аккумуляторов, составляющий 1 000–1500 циклов.

Как выглядит старение батареи? Батарея испытает необратимую потерю емкости. Жидкие электролиты будут медленно высыхать или превращаться в твердые, и на электродах образуется слой ионов лития.

Чрезмерная зарядка, глубокая езда на велосипеде и экстремальные температуры ускоряют процесс старения литий-ионного аккумулятора.Чтобы максимально продлить срок службы литий-ионного аккумулятора, лучше всего заряжать его при умеренных (комнатных) температурах.

Какой аккумулятор для вилочных погрузчиков самый эффективный?

Литий-ионные батареи

имеют один из наивысших классов CE среди всех типов аккумуляторных батарей — 99% или выше. Это самые эффективные аккумуляторы. Свинцово-кислотные батареи ниже примерно на 90%, а батареи на никелевой основе — ближе к 80%. Эта эффективность падает при высоких тарифах.Литий-ионный остается около 90% при уровне заряда 1С, в то время как эффективность свинцово-кислотного аккумулятора падает ниже 50%.

Литий-ионные батареи:

Имеют более длительный срок службы как по количеству циклов, так и по сохраняемой емкости с течением времени, чем свинцово-кислотные батареи
Может частично заряжаться снова и снова, в то время как свинцово-кислотный требует еженедельной перезарядки / выравнивания для балансировки ячеек и удаления сульфатирования
Поддерживать высокое выходное напряжение при более низком уровне заряда, пока напряжение свинцово-кислотных аккумуляторов падает по мере того, как их SoC падает
Может работать при более высоких температурах, чем свинцово-кислотная, и при более низких температурах со встроенными нагревателями

Если вы пытаетесь максимально использовать возможности погрузочно-разгрузочного оборудования, литий-ионные батареи будут наиболее эффективным решением для работы в несколько смен.Поскольку литий-ионные аккумуляторы могут работать до 3 смен, а свинцово-кислотные аккумуляторы — от 1 до 2 смен, решение о переходе на литий-ионную технологию является более простым.

6 Критических материалов в крупномасштабных аккумуляторных системах | Роль химических наук в поиске альтернатив критическим ресурсам: итоги семинара

Проблемы передачи

достаточно серьезны, чтобы оправдать высокую стоимость этих систем.

Насосная гидроэлектростанция, хорошо зарекомендовавшая себя технология, не всегда дёшево, отметил Уитакр.Он требует вертикального градиента и большого количества дешевой воды, и он не очень энергоемкий. Настоящими конкурентами для бестарного хранения являются небольшие турбины, работающие на природном газе, которые используются для работы в часы пик и выравнивания уровня возобновляемых источников. Они стоят около 750 долларов за установленный кВт и могут работать от 1 до 6 часов в периоды пиковой нагрузки.

Whitacre сказал, что крупный поставщик коммунальных услуг сказал ему, что по цене 1 долл. / Вт и сроку службы более 10 лет коммунальные предприятия купят все хранилища, которые компания может произвести. Это означает, что стоимость производства должна быть меньше, чем если бы производитель запоминающих устройств надеялся получить прибыль.«Это серьезная и непростая цель, — сказал он, — и если вы сможете это сделать, вы измените мир».

Используя упрощенный экономический анализ, Whitacre вывел максимальную стоимость в 5 долларов за кг, или менее 50 долларов ватт-часов (Втч) / кг, для всей стоимости экономически целесообразного устройства для массового хранения. В этом расчете учитывались количество циклов, необходимых для соответствующего устройства, количество киловатт-часов, поставляемых за цикл, стоимость проданных товаров, стоимость материалов и стоимость сборки этих материалов в устройство, которое будет продаваться в рынок.В расчетах также предполагалось, что стоимость любого устройства должна составлять примерно 100 долларов США / кВтч в течение всего срока службы устройства.

Эти результаты, хотя и основаны на заведомо упрощенном анализе, предполагают, что есть крутой холм, на который можно подняться любой технологии. Литий-ионные батареи, например, стоят несколько сотен долларов ватт-часов за килограмм, а их общая стоимость товаров намного выше, в несколько сотен долларов за киловатт-час.

Переход на материалы с более высокой плотностью энергии может быть решением, но они обычно не так стабильны.«Это не закон, — сказал Уитакр, — и я надеюсь, что кто-нибудь найдет вещи, которые имеют 1000 ватт-часов на килограмм и могут выдержать 10 000 циклов. Но в целом, чем больше энергии вы получаете из материала батареи за цикл, тем больше переходов он должен пройти в каждом из этих циклов, и тем менее стабильным он будет в течение тысяч таких циклов ».

Еще одно решение — найти аккумуляторную систему с низкой плотностью энергии, но чрезвычайно низкой стоимостью, менее 5 долларов за кг. Если бы это устройство могло работать быстро или быть более эффективным и иметь очень долгий срок службы, это могло бы оказаться экономически целесообразным.

Whitacre работает над батареей с водным электролитом, которая могла бы соответствовать последнему сценарию с низкой стоимостью, низкой плотностью энергии и длительным сроком службы. Батареи с водным электролитом основаны на старой технологии. Водные электролиты имеют на порядок более высокую проводимость, чем органические электролиты, поэтому их можно использовать с толстыми электродами, которые могут быть намного дешевле в производстве и сборке в готовое устройство.

Свинцово-кислотные, металлогидридные и щелочные системы — все это примеры батарей, в которых используется водный электролит.Whitacre и его коллеги разрабатывают водную литий-ионную систему на основе технологий интеркаляции (Manjunatha et al., 2011; Shivashankaraiah et al., 2011). Электролит обычно представляет собой соль с нейтральным pH — нитрат лития или сульфат лития — в воде. Созданные до сих пор устройства имеют плотность энергии в диапазоне 55 кВтч / кг, но большинство из них стабильны только в течение сотен циклов, а их напряжение находится на низком уровне.

В одном устройстве, которое продемонстрировало стабильность в течение тысяч циклов, используется анод из активированного угля с большой площадью поверхности и катод из оксида лития-марганца с интеркалированием и деинтеркалированием (Wang and Xia, 2006).Whitacre объяснил, что он обратил внимание на эту систему, когда его спросили, может ли натрий заменить литий, поскольку натрий — гораздо более дешевый материал. Были проведены некоторые исследования водных натриевых батарей, но результаты не были обнадеживающими (Sauvage et al., 2007; Zhuo et al., 2006).

Whitacre, однако, обнаружил, что манганат натрия с ромбической структурой имеет очень интересные катодные свойства. Этот материал, Na _0,44 MnO ₂, может быть получен различными способами из пищевой соды и диоксида марганца, оба из которых очень недороги.Самый простой способ сделать это — смешать два исходных материала и нагреть их в печи, хотя они также могут быть получены с помощью золь-гель и гидротермальных процессов. Материал имеет игольчатую морфологию, очень анизотропен и может иметь наноразмерное поперечное сечение. При осторожном твердотельном синтезе можно получить материал высокой чистоты, загрязненный небольшим количеством триоксида марганца, который проявляет свойства, подходящие для катодного материала.

Для анода предпочтительным материалом является активированный уголь, но активированный уголь на самом деле является очень дорогим материалом, и предложение по стоимости его использования в устройстве для бестарного хранения невозможно.Чтобы решить эту проблему, Whitacre использует мелассу в качестве источника углерода путем пиролиза, а затем активирует ее с помощью гидроксида калия, еще одного относительно недорогого материала. Используя процесс, который предварительно нагревает материал, а затем завершает пиролиз при 800 ° C в присутствии гидроксида калия, Whitacre и его сотрудники создают материал с площадью поверхности около 3000 м ² / г. С точки зрения электричества, этот материал обладает свойствами, которые «превосходят его смехотворность». Он сказал, что если он сможет производить этот материал по цене от 3 до 4 долларов за кг, это будет жизнеспособный кандидат.

Когда анод, сделанный из этого материала, сочетается с катодом из манганата натрия и водным раствором сульфата натрия в качестве электролита, полученная ячейка была стабильной до 1,8 В и могла переключаться между 0,4 и 1,8 В в течение тысяч циклов с незначительной потерей емкости и 100% кулоновский КПД. Единственной областью, в которой этот элемент не соответствовал, была плотность энергии, которая была порядка 15-20 Втч / кг по сравнению с 30-40 Втч / кг, которая делала бы батарею из этих материалов конкурентоспособной по стоимости.Однако при переходе на катод из кубической шпинели из диоксида марганца был получен элемент с плотностью энергии около 30 Вт · ч / кг

GM подписывает соглашение с отделением Массачусетского технологического института по сокращению затрат на аккумуляторы для электромобилей на 60%

2022 GMC Hummer EV внедорожник

General Motors подписала соглашение с отделением Массачусетского технологического института о совместной разработке нового поколения аккумуляторы для электромобилей, которые, как ожидается, снизят стоимость технологии на 60%.

Сотрудничество с сингапурской компанией SolidEnergy Systems, основанной выпускником Массачусетского технологического института Цичао Ху, направлено на разработку нового химического состава батарей для уменьшения размера батарей при одновременном увеличении дальности действия электромобиля. Это помогает снизить стоимость транспортных средств.

В рамках сделки GM и SolidEnergy Systems планируют построить в Вобурне, штат Массачусетс, линию по производству прототипов для «предсерийной батареи большой емкости к 2023 году».

GM ранее объявила, что второе поколение своих аккумуляторных батарей и платформы для электромобилей, известное как Ultium, сократит затраты на современные электромобили, такие как Chevrolet Bolt EV, на 60% к середине десятилетия.

«Платформа Ultium на самом деле была спроектирована и построена с учетом подобных изменений», — сказал CNBC Кент Хелфрич, исполнительный директор GM по глобальной электрификации и аккумуляторным системам. «Мы знаем, что аккумуляторные технологии меняются очень быстро… поэтому нам пришлось встроить такую гибкость и пропускную способность в нашу платформу».

Официальные лица отказались раскрыть финансовые детали соглашения. Подразделение венчурного капитала GM первоначально инвестировало в SolidEnergy Systems в 2015 году неизвестную сумму.

В новых батареях используется металлический литий, а не литий-ионный, как в современных электромобилях.Переключатель изменяет химический состав батареи, чтобы обеспечить более высокую плотность энергии и больший радиус действия по сравнению с батареей аналогичного размера или сопоставимый диапазон с батареей меньшего размера.

Первые прототипы аккумуляторов уже прошли 150 000 имитационных пробных миль в научно-исследовательских лабораториях Глобального технического центра GM в Уоррене, штат Мичиган, по словам автопроизводителя.

General Motors представила свою совершенно новую модульную платформу и аккумуляторную систему Ultium 4 марта 2020 года в своем кампусе Tech Center в Уоррене, штат Мичиган.

Фото Стива Фехта для General Motors

Дальнейшая разработка аккумуляторов будущего идет впереди автопроизводителя, который в конце этого года выпустит EVS с аккумуляторными элементами Ultium первого поколения, начиная с GMC Hummer EV за 112 595 долларов.

Разное

+7 495 120-13-73 | 8 800 500-97-74