Технология и компоненты в аккумуляторных батареях для электромобилей
Аккумуляторы являются подходящими системами хранения энергии в различных типах автомобилей, но они играют ключевую роль в случае электромобилей. Технологии, отвечающие за их работу, постоянно развиваются, и различные типы аккумуляторов отличаются друг от друга по применению и техническим характеристикам. Узнайте о типах батарей, используемых в электромобилях.
Технологии в аккумуляторах электромобилей – основные типы аккумуляторов
Аккумуляторы электромобилей (EV) отличаются используемыми в них химическим элементам. В основном мы различаем литий-ионные, никель-металл-гидридные и свинцово-кислотные аккумуляторы. Выбрать оптимальную аккумуляторную батарею для электромобиля сложно, потому что индивидуальные решения хорошо работают в разных ситуациях.
Ниже вы найдете краткое описание различных типов аккумуляторов, используемых в автомобильной промышленности, а также их применение.
Литий-ионная батарея – большая популярность и высокая производительность.
Несомненно, именно литий-ионные батареи в последние годы внесли наибольший вклад в передовое развитие электроэнергетического сектора. Они характеризуются эффективностью, низкой ценой и высоким уровнем производительности по отношению к весу элементов. Это лучшие батареи, если учитывать три параметра: оптимизация размера и веса батареи, соотношение массы к количеству накопленной энергии и выгодная цена. Литий-ионные батареи также можно найти во многих бытовых устройствах, таких как телефоны, компьютеры или пылесосы.
Никель-металл-гидридная аккумуляторная батарея – для специализированного использования.
Аккумуляторы являются подходящими системами хранения энергии в различных транспортных средствах, но они играют ключевую роль в случае электромобилей.Это специальные аккумуляторные элементы, которые достаточно редки по своим химическим и физическим параметрам. Водород является сырьем, требующим особого контроля.
Батарея теряет энергию, когда она не используется, но этот недостаток компенсируется длительным сроком службы элементов. Никель-металл-гидридные батареи используются в специализированных устройствах, таких как медицинское оборудование. Решения такого рода характеризуются высокой себестоимостью производства.
Свинцово-кислотные аккумуляторы – низкий срок службы и впечатляющая мощность.
Аккумуляторы этой категории характеризуются отличными параметрами мощности. В электромобиле, однако, приходится делать ставку на решение, которое характеризуется высокой эффективностью даже при низких температурах, где такие батареи работают плохо. Несмотря на то, что стандартные аккумуляторные батареи автомобиля также фиксируют снижение таких условий, свинцово-кислотные элементы демонстрируют худшие показатели в этом аспекте. К их преимуществам относятся низкая себестоимость и надежность.
Суперконденсаторы – поддержка производительности аккумуляторов.
Суперконденсаторы или ультраконденсаторы в первую очередь используются для обеспечения необходимого электропитания при временном отключении электричества.
Многие электромобили используют аккумуляторные батареи – несколько элементов одновременно. Сочетая возможности суперконденсаторов с литий-ионными и никель-металлогидридными аккумуляторами, можно добиться лучших результатов, чем при использовании одиночных элементов. В настоящее время в автомобильном секторе доминируют литий-ионные аккумуляторы, чаще всего используемые в электромобилях.
Литиево-ионные или никель-металл-гидридные аккумуляторы – как выбрать лучшую батарею для электромобиля?
Из-за описанных выше параметров литий-ионная батарея используется чаще всего. Более того, технология, связанная с этими элементами, все еще развивается. Ведущие поставщики работают над тем, чтобы разрушить дальнейшие барьеры на пути к ассортименту транспортных средств, которые используют данный тип батареи в качестве источника энергии.
Никель-металл-гидридные батареи используются в гибридных транспортных средствах.
Суперконденсаторы находят свое место и в электромобилях, позволяя увеличить мощность автомобиля при высокой нагрузке. Благодаря этому во время разгона может поддерживаться стандартный аккумулятор. Суперконденсаторы также очень важны для рекуперативного торможения, что позволяет преобразовывать тепловую энергию в электричество.
См. также: Срок службы аккумуляторных батарей электромобилей — когда следует заменять аккумуляторные батареи электромобилей?
Какой тип батареи используется в электромобилях?
Использование конкретного элемента зависит не только от его производительности, но и от типа транспортного средства. В случае полностью электрических транспортных средств и plug-in гибридов, которые могут быть заряжены от розетки, мы, как правило, имеем дело с литий-ионными батареями.
Электромобили намного эффективнее, чем автомобили внутреннего сгорания. Стоимость электроэнергии в большинстве случаев значительно ниже, чем цена топлива, необходимого для проезда по аналогичному маршруту. Наиболее эффективные решения на рынке в настоящее время позволяют преодолевать расстояние около 500 км на одной зарядке.
Партнерство с компанией «KNAUF AUTOMOTIVE» – получение всесторонней поддержки опытного партнера.
Для того чтобы обеспечить оптимальные решения в области электрических батарей, вы не можете работать в одиночку. В течение многих лет компания Knauf Industries работает над внедрением инноваций в автомобильной промышленности.
Мы хотим предоставлять нашим партнерам аккумуляторные батареи с гораздо более высокими эксплуатационными характеристиками и оптимизированным сроком службы. Чтобы предотвратить выход аккумулятора из строя при слишком низких или слишком высоких температурах, важно помнить об изоляции, которая при этом не будет существенно влиять на вес автомобиля. Наш взгляд на будущее сочетает в себе электромобильность с экологией — мы предлагаем такие материалы, как пенополипропилен и пенополистирол, которые на 100% пригодны для вторичной переработки. Мы приглашаем к сотрудничеству предприятия автомобильной отрасли, которые хотят всесторонне поддерживать свое производство.
Хотите получить более специализированные знания?
Тяговые литий-ионные батареи Tesla, что внутри?
Тяговые литий-ионные батареи Tesla, что внутри?
Тесла Моторс является создателем поистине революционных экомобилей — электромобилей, которые не только выпускаются серийно, но и обладают уникальными показателями, позволяющими их использование буквально ежедневно. Сегодня мы заглянем внутрь тяговой аккумуляторной батареи электромобиля Tesla Model S, узнаем, как она устроена и раскроем магию успеха этой аккумуляторной батареи.
Поставка батарей клиентам осуществляется в таких вот ящиках из ОСБ.
Самая крупная и дорогая запчасть для Tesla Model S – блок тяговой аккумуляторной батареи.
Блок тяговой аккумуляторной батареи находится в днище автомобиля (по сути это пол электромобиля — машины), за счёт чего Tesla Model S имеет очень низкий центр тяжести и великолепную управляемость.
Батарея крепится к силовой части кузова при помощи мощных кронштейнов (см. фото ниже) или выполняет роль силовой – несущей части кузова авто.
По данным североамериканского Агентства по защите окружающей US Environmental Protection Agency (EPA) одного заряда тяговой литий-ионной аккумуляторной батареи Tesla с номинальным напряжением 400В DC, ёмкостью 85 кВт·ч хватает на 265 миль (426 км) пробега, что позволяет преодолевать наибольшую дистанцию среди подобных электромобилей. При этом от 0 до 100 км/ч подобная машина разгоняется всего за 4,4 секунды.
Секрет успеха Tesla Model S – это высокоэффективные цилиндрические литий-ионные батареи высокой энергоёмкости, поставщик базовых элементов известная японская фирма Panasonic. Вокруг этих батарей ходит немало слухов.
Один из них – это не влезай, убьёт!
Один из владельцев и энтузиастов Tesla Model S из США решил полностью разобрать использованную батарею для Tesla Model S энергоёмкостью 85 кВт·ч, чтобы детально изучить её конструкцию.
Кстати, её стоимость, как запчасти, в США составляет 12 000 USD.
Сверху блок батареи размещено тепло и звука изоляционное покрытие, которое закрывается толстой полиэтиленовой плёнкой. Снимаем это покрытие, в виде ковра и готовимся к разборке. Для работы с батареей необходимо иметь изолированный инструмент и пользоваться резиновой обувью, и резиновыми защитными перчатками.
Батарея Tesla. Разбираем!
Тяговая аккумуляторная батарея Tesla (блок тяговой аккумуляторной батареи) состоит 16 батарейных модулей, каждый номинальным напряжением 25В (исполнение батарейного блока — IP56). Шестнадцать батарейных модулей соединены последовательно в батарею с номинальным напряжением 400В. Каждый батарейный модуль состоит из 444 элементов (аккумуляторов) 18650 Panasonic (вес одного аккумулятора 46 г), которые соединены по схеме 6s74p (6 элементов последовательно и 74 таких групп параллельно).
Общие выводные клеммы (терминал) находится в задней части блока тяговой батареи.
До того, как полностью её разобрать, было замерено электрическое напряжение (оно составили около 313,8В), что говорит о том, что батарея разряжена, но находится в рабочем состоянии.
Батарейные модули отличается высокой плотностью элементов (аккумуляторов) 18650 Panasonic, которые там размещены и точностью подгонки деталей. Весь процесс сборки на заводе Tesla проходит в полностью стерильном помещении, с использованием роботов, выдерживается даже определенная температура и влажность.
Каждый батарейный модуль состоит из 444 элементов (аккумуляторов), которые по виду крайне схожих с простыми пальчиковыми батарейками — это литий-ионные цилиндрические аккумуляторы 18650, производства компании Panasonic. Энергоемкость каждого батарейного модуля из таких элементов составляет 5,3 кВт·ч.
В аккумуляторах 18650 Panasonic положительный электрод — графит, а отрицательный электрод — никель, кобальт и оксид алюминия.
Тяговая аккумуляторная батарея Tesla весит 540 кг, а её размеры равны 210 см в длину, 150 см в ширину, и 15 см в толщину. Количество энергии (5,3 кВт·ч), вырабатываемой всего одним блоком (из 16 батарейных модулей), равно количеству, производимому сотней аккумуляторов от 100 портативных компьютеров. К минусу каждого элемента (аккумулятора) в качестве соединителя припаяна проволочка (внешний токовый ограничитель), который при превышении тока (или при коротком замыкании) сгорает и защищает цепь, при этом не работает только группа (из 6 аккумуляторов), в которой был этот элемент, все остальные аккумуляторы продолжают работать.
Тяговая аккумуляторная батарея Tesla охлаждается и подогревается с помощью жидкостной системы на основе антифриза.
При сборке своих батарей Тесла применяет элементы (аккумуляторы), произведенные компанией Panasonic в различных странах, таких, как Индия, КНР и Мексика. Финальная доработка и размещение в корпус батарейного отсека, производятся в Соединенных Штатах.
Компания Tesla предоставляет гарантийной обслуживание своей продукции (в том числе и аккумуляторной батареи) на срок до 8 лет.
На фото (сверху) элементы — аккумуляторы 18650 Panasonic (завальцовка у элементов со стороны плюса «+»).
Таким образом, мы узнали, из чего состоит тяговая аккумуляторная батарея Tesla Model S.
Благодарим за внимание!
Как создают аккумуляторные батареи / Хабр
Практически все современные гаджеты объединяет одна деталь — в них есть аккумуляторная батарея. И её ёмкость остаётся одним из главных критериев при выборе устройства. Мы живем в эру мобильности, и требования к аккумуляторам растут с каждым годом.
Батареи для ноутбуков (и многие другие) состоят из энергетических элементов, скомпонованных в связанные друг с другом ячейки. Ноутбуки, как и большая часть других мобильных устройств, работают на литий-ионных или литий-полимерных аккумуляторах.
Мало кто задумывается о том, как сложно создать аккумуляторную батарею, отвечающую требованиям времени. Сегодня вы узнаете, как их производят в промышленных масштабах… начиная с химических элементов.
Li-ion — литий-ионные
Широко распространённый литий-ионный аккумулятор состоит из электродов (катода из алюминиевой фольги и анода из медной), разделенных пористым сепаратором, пропитанным жидким электролитом. Пакет электродов помещен в герметичный корпус, катоды и аноды подсоединены к клеммам-токосъемникам. Корпус иногда оснащают предохранительным клапаном, сбрасывающим внутреннее давление при аварийных ситуациях или нарушениях условий эксплуатации.
Типичная литий-ионная перезаряжаемая батарея состоит из положительного электрода (зеленый), отрицательного электрода (красный) и разделяющим их слоем сепаратора (желтый). Ионы лития (Li +, синий) перемещаются от отрицательного электрода (анода) к положительному (катод). Во время зарядки происходит обратный процесс, ионы лития переносятся к аноду.
Источник
Литий-ионный аккумулятор обладает высокой энергоплотностью, но быстро разряжается при использовании на морозе и может быть взрывоопасен при перезаряде выше 4,2 В. Если вы проколете литий-ионную батарею и создадите короткое замыкание, она загорится и возникнет действительно сильный огонь, который нельзя легко потушить с помощью обычного огнетушителя. Именно поэтому многие такие аккумуляторы оснащают специальной защитой.
Li-po — литий-полимерные
Литий-полимерный аккумулятор (литий-ионный полимерный аккумулятор) представляет собой усовершенствованную конструкцию литий-ионного аккумулятора. В таком аккумуляторе в качестве электролита используется не жидкость, а сухой полимерный материал (синтетический пластик). В отличие от Li-ion, Li-po безопаснее, может отдавать сильные токи и, благодаря полимерному материалу, может быть какой угодно толщины и формы.
Li-po и технологии
Ноутбук, оснащенный литий-полимерным аккумулятором, поддерживает в 3 раза больше циклов зарядки (то есть служит в 3 раза дольше), чем ноутбук со стандартным литий-ионным аккумулятором.
Эффективность энергопотребления достигается не только за счет химических свойств батареи. Если ноутбук остается подключенным к зарядке, когда аккумулятор уже полностью заряжен, это может привести к ухудшению рабочих характеристик аккумулятора и, соответственно, к сокращению срока его службы. Это может также стать причиной набухания аккумулятора из-за внутреннего накопления газов, вызванного окислением, а значит и деформированию или повреждению ноутбука. Дополнительные программные технологии позволяют установить предельный уровень заряда 60%, 80% или 100%, чтобы продлить срок службы батареи и уменьшить вероятность ее набухания.
Ноутбуки также оснащаются механизмом быстрой зарядки, с помощью которого аккумулятор заряжается за несколько десятков минут чуть более чем наполовину.
Li-po vs Li-ion
Положительные и отрицательные электроды Li-po и Li-ion имеют сходный химический состав. Основное различия между двумя видами батарей заключается в способе их компоновки. С литий-ионной технологией для оболочки можно выбрать только жесткий металлический корпус, в то время как литий-полимерная технология позволяет использовать мягкую оболочку для корпуса (пластиковая или алюминиевая фольга).
При толщине до 3 мм Li-po имеет преимущество в емкости. При толщине более 3 мм Li-ion дает существенную выгоду в цене.
Существуют и другие виды аккумуляторов на основе лития: LiFePO4 — литий-железо-фосфатные, LiFeYPO4 — литий-железо-иттрий-фосфатные, и другие. Отличаются они различными добавками, улучшающими характеристики батареи. Однако в основе большей части новых экспериментов лежит всё тот же металл, пришедший на смену некогда популярным никель-кадмиевым и никель-металлгидридным аккумуляторам.
Литий
Очень легкий, очень мягкий металл серебристо-белого цвета.
Первые работы в области создания перезаряжаемого аккумулятора на основе лития были начаты в 1912 году, но до 1970-х эксперименты не выходили за пределы лабораторий из-за нестабильности лития. В 1980-х на основе технологий, разработанных в Оксфордском университете, стали появляться первые промышленные литиевые аккумуляторные батареи, которые быстро перегревались и выходили из строя. Только в 1991 году был создан аккумулятор, в котором металлический литий был заменен более безопасной ионной формой.
Литий снискал заслуженную популярность за счет своих особых свойств. Это один из самых легких металлов в периодической таблице, который действительно помогает сохранять большие объемы энергии в небольшом объеме и при незначительном весе. Однако популярность лития сегодня может привести к исчерпанию этого металла в будущем.
Добыча лития — это трудоемкий процесс даже в тех регионах, где металла много. На протяжении десятилетий коммерческое производство лития основывалось на минеральных рудных источниках, таких как сподумен, петалит и лепидолит. Однако извлечение лития из руды вдвое превышает стоимость производства из соляных растворов.
Основные залежи лития, пригодные для активной разработки, находятся в Южной Америке и Китае. На территории России больше всего лития содержится в слюде, сопровождающей месторождения редкоземельных металлов. До недавнего времени добыча лития из слюды стоила слишком дорого, но в 2017 году ученые НИТУ «МИСиС» представили установку, сделавшую добычу соединений лития из бедной руды вдвое дешевле.
Большая часть лития сегодня добывается из естественных водяных линз соляных озер, в насыщенных соляных растворах которых концентрируется хлорид лития, калий и натрий. Раствор выкачивается и выпаривается на солнце, полученная смесь солей перерабатывается.
Извлечение лития
Солончак Уюни содержит около 100 миллионов тонн лития, или от 50 до 70% его мировых запасов
.
Крупнейший источник лития находится в Боливии — это солончак Уюни, высохшее соленое озеро, расположенное на высоте около 3650 м над уровнем моря. Имеет площадь 10 588 км². Внутренняя часть покрыта слоем поваренной соли толщиной 2-8 м. Хлорид лития, находящийся здесь в огромных количествах, пригоден для добычи из него лития, а раньше использовался в качестве замены обычной соли. Употреблять в пищу его перестали после открытия токсических эффектов.
Литиевый соляной пруд в Аргентине.
Для извлечения лития соляные растворы сначала перекачивают на поверхность в специальные пруды, где под воздействием солнца в течение нескольких месяцев происходит медленное испарение.
Когда хлорид лития в испарительных прудах достигает оптимальной концентрации, раствор перекачивают на восстановительную установку, где фильтрацией удаляют из смеси нежелательные примеси.
Преобразование лития в металл производится в электролитической ячейке. Хлорид лития смешивается с хлоридом калия в соотношении 55% к 45% для того, чтобы произвести расплавленный эвтектический электролит. Далее электролизом расплава при температуре 600 °C получают расплавленный литий, который поднимается на поверхность электролита.
Другие химические элементы
Составляющие стоимости Li-ion батареи.
Внутри литий-ионного аккумулятора может использоваться несколько материалов для катодов. Первоначально основным компонентом катода был кобальт, но он имеет ограниченную доступность в природе и токсичен, что является огромным недостатком для массового производства. Сегодня кобальт частично замещается никелем, а также смесью кобальта, никеля и марганца.
Безопасная и долговечная батарея нуждается в надежном электролите, который может выдерживать существующее напряжение и высокие температуры и имеет длительный срок хранения, обеспечивая высокую подвижность ионов лития.
Растворы электролита состоят из органических растворителей, соли LiPF6 (гексафторфосфат лития) и различных добавок.
Электролит высокой чистоты играет ключевую роль в транспортировке положительных ионов лития между катодом и анодом. Электролитные добавки улучшают стабильность, предотвращая деградацию раствора. Состав электролитов варьируется в зависимости от используемых анодных и катодных материалов, однако выбор электролита часто подразумевает компромисс между воспламеняемостью и электрохимическими характеристиками.
Полимерные электролиты представляют собой ионно-проводящие полимеры. Они часто смешиваются в композитах с керамическими наночастицами, что приводит к более высокой проводимости и устойчивости к более высоким напряжениям.
В литий-ионных батареях в качестве токоприемников используется разнообразная металлическая фольга — медная, никелевая или фольга из каталитической меди. Как правило, медная фольга ставится в качестве отрицательного электрода для коллектора анодного тока, а алюминиевая фольга применяется в качестве положительного электрода для катодного токосъемника.
Строение Li-po батареи
Анод состоит из смеси графита и лития (возможно также использование интерметаллидов или кремния), в то время как катод объединяет литий и другие металлы (материалы катода требуют чрезвычайно высокой чистоты и должны быть почти полностью очищены от нежелательных металлических примесей — железа, ванадия и серы).
Отделяет катод от анода сепараторный материал из полипропилена, полиэтилена или другого схожего полимерного материала. Сепараторы большинства батарей состоят из очень простых пластиковых пленок, которые имеют правильный размер пор, чтобы позволить ионам перемещаться, блокируя при этом другие элементы. В случае жидкого электролита сепаратор представляет собой вспененный материал, который пропитывается электролитом и удерживает его на месте.
Процесс производства батареи
Основы для анода и катода поставляются на завод в виде черного порошка, и для неподготовленного глаза они почти неотличимы друг от друга. Порошок очень мелкой фракции, чтобы достичь максимальной эффективной площади поверхности электродов.
Форма частиц также важна. Предпочтительны гладкие сферические крупицы с закругленными краями, поскольку острые кромки или шелушащиеся поверхности чувствительны к высоким электрическим нагрузкам.
Аноды и катоды в литиевых батареях имеют одинаковую форму и выполняются по аналогичным процессам на идентичном оборудовании. Но поскольку загрязнение между анодным и катодным материалами приведет к разрушению батареи, то для предотвращения контакта материалов их обычно обрабатываются в разных цехах.
Первая стадия производства заключается в смешивании материалов электродов и нанесении суспензии на поверхность фольги. Активные электродные материалы покрываются с обеих сторон металлической фольгой, которая действует как токоприемник, проводящий ток внутри и снаружи ячейки. Затем фольга с материалами сушится, разрезается на узкие полоски и сворачивается в несколько слоев. Это требует постоянного контроля, поскольку любые заусенцы на краях полосок фольги могут привести к внутренним коротким замыканиям в ячейках.
В процессе сборки батареи сепаратор зажимают между анодом и катодом. После помещения батареи в корпус ее заполняют электролитом и запечатывают. Это должно выполняться в «сухой комнате», так как электролит реагирует с водой. Влага приведет к разложению электролита с выбросом токсичных газов.
Электроды помещают в корпус, оставляя отверстие для добавления электролита/
Как только сборка ячейки будет завершена, она должна пройти хотя бы один контролируемый цикл зарядки/разрядки. Процесс зарядки начинается с низкого напряжения, которое постепенно нарастает. Только после прохождения теста батарея покинет завод и отправится дальше.
* * *
В будущем, несомненно, появятся новые виды аккумуляторов. Возможно, тогда литий останется в прошлом. Пока же есть еще множество возможностей для улучшения характеристик существующих аккумуляторных батарей.
Аккумуляторы нового поколения создаются в Европе
В новом гигантском НПО Battery Industrialization Centre в британском г.
Ковентри. Jason Alden / BloombergАккумуляторные батареи используются повсюду − в наших телефонах, ноутбуках и автомобилях, но недорогими и высокопроизводительными источниками энергии будущего они до сих пор не стали. Целый ряд европейских и швейцарских научно-производственных инициатив пытается сейчас нащупать пути к инновационному прорыву в этой перспективной области.
Этот контент был опубликован 17 сентября 2021 года — 07:00 Саймон БредлиУроженец Лондона, Саймон – мультимедийный журналист, работающий в SWI swissinfo.ch с 2006 года. Он говорит на французском, немецком и испанском языках, освещает работу ООН и других международных организаций со штаб-квартирами в Женеве, а кроме того, и целый ряд других тем, главным образом во франкоязычной части Швейцарии.
Больше материалов этого / этой автора | Англоязычная редакция
Доступно на 9 других языкахРедактор русскоязычной версии Надежда Капоне.
«Благодаря применению аккумуляторов можно сократить на 30% углеродные выбросы в транспортном и энергетическом секторах, обеспечить электричеством дополнительно 600 млн человек, а также создать по всему миру 10 млн долговременных и экологически устойчивых рабочих мест», — сказано в недавно опубликованном ежегодном докладе Всемирного экономического форума в Давосе, штаб-квартира которого расположена в местечке Колоньи в пригороде Женевы. Пока доминирующую роль на рынке батарей и аккумуляторов играет Азия, причем более 90% их производства приходится на Китай, Ю. Корею и Японию.
Но Европа намерена уже в скором времени сократить свое отставание. Европейский союз, уступая требования местных гигантов автомобилестроения, намерен скоро запустить массовое производство аккумуляторных батарей и ячеек (модульных элементов перезаряжаемых батарей), с тем чтобы положить конец технологической зависимости от зарубежных производителей. «В настоящее время мы просто пытаемся наверстать упущенное, но основная идея ЕС заключается в том, чтобы создать собственную производственно-инновационную базу для разработок в сфере производства аккумуляторов».
Об этом мы беседуем с Корсин Баттальей (Corsin BattagliaВнешняя ссылка), экспертом Швейцарских федеральных лабораторий материаловедения и технологий (Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt EmpaВнешняя ссылка). Швейцария не входит в Евросоюз, но принимает активное участие в европейских научных проектах по разработке аккумуляторов нового поколения. Четыре года назад с целью наращивания производственных мощностей и развития научно-исследовательского потенциала в данной сфере по инициативе Еврокомиссии был создан Европейский аккумуляторный альянс (European Battery Alliance).
По данным НКО Transport & Environment, в рамках этой инициативы по всей Европе запланировано построить почти 40 заводов по производству батарей, так называемых «гигафабрик». Если все они в самом деле заработают, то к 2025 году старый свет сможет обеспечить себе долю мирового рынка аккумуляторов в 20%, что в годовом выражении составит торгово-промышленный оборот на ровне в 250 млрд евро или 270 млрд швейцарских франков.
Одним из первых полностью европейских предприятий по производству экологически чистых аккумуляторов станет гигафабрика Northvolt EttВнешняя ссылка на севере Швеции в городе Шеллефтео.
Площадь огромного завода по производству литий-ионных батарей достигает 500 000 квадратных метров или 70 футбольных полей. Фабрика Northvolt заявляет, что сможет выпускать батареи в количестве, необходимом для производства одного миллиона электромобилей в год. В настоящее время создание гигафабрик в Швейцарии не планируется, но страна и ее огромный научный потенциал тесно связаны с европейскими усилиями по разработке модели аккумулятора будущего.
Огромный завод по производству литий-ионных аккумуляторов Northvolt Ett на севере Швеции будет занимать площадь более 500 000 квадратных метров или 70 футбольных полей. William Steel (Northvolt)«Идет ли речь о сырье и материалах, о сборке аккумуляторных ячеек в единую батарею, о системах менеджмента, о переработке, утилизации или о системах хранения энергии − в Швейцарии есть большое число компаний, активно работающих в области производства аккумуляторов, а некоторые даже являются мировыми лидерами этой отрасли», — говорит Корсин Батталья.
Самовосстанавливающиеся батареи
На протяжении последних десятков лет доминирующей технологией хранения электроэнергии были литий-ионные батареи, и ожидается, что спрос на них вырастет в течение следующего десятилетия в десять раз. За последние 30 лет стоимость литиевых батарей упала почти на 100%, но наука в направлении совершенствования таких батарей практически никак не продвинулась. Для удовлетворения будущего спроса на такие аккумуляторы нам потребуются альтернативные технологии, обеспечивающие повышенные сроки службы их элементов и повышение общей емкости данных батарей.
Именно этим и занимается European Battery 2030+, европейская инициатива в области исследований и разработок аккумуляторных батарей с общим бюджетом в 40 млн евро. Инициатива был запущена в прошлом 2020 году, в нее входят семь крупных исследовательских проектов, реализуемых при поддержке девяти европейских стран, включая Швейцарию. Один из проектов называется HIDDEN, и он ставит перед собой задачу увеличить средний срок службы литий-ионных аккумуляторов и их удельную энергоемкость по меньшей мере на 50%.
«Реальную проблему для долговечности литий-металлических батарей представляет постепенный рост внутри них так называемых дендритов, крошечных жестких древовидных структур. Их игольчатые выступы называются усы, — объясняет Аксель Фюрст (Axel FuerstВнешняя ссылка), руководитель проекта HIDDEN при Бернской высшей школе прикладных наук (Berner FachhochschuleВнешняя ссылка). — Металлический литий имеет очень высокую энергетическую плотность и поэтому его можно использовать для производства все более легких и энергоемких батарей. Но дендриты растут очень быстро, из-за чего срок жизни таких аккумуляторов в среднем невелик», — говорит он.
Чтобы решить эту проблему, его группа занимается изучением процесса самовосстановления батареи.
Они надеются, что специально разработанные термотропные (то есть образующиеся в результате нагревания твёрдого вещества и существующие в определённом интервале температур и давлений) жидкокристаллические ионные электролиты вместе с добавками и пьезоэлектрическим сепаратором, создающим электрическое поле, смогут остановить процесс роста коварных дендритов. Первую концептуальную модель такого аккумулятора тут надеются представить к 2023 году в надежде, что потом она получит широкое распространение и будет востребована на рынке.
Меньше редких металлов
Тем временем Корсин Батталья и его коллеги из Empa координируют европейский исследовательский проект SENSE, целью которого является создание так называемого литий-ионного аккумулятора «поколения 3b» с композитным анодом из кремния и графита и монокристаллическим катодом NMC, содержащим соединения никеля, марганца и кобальта. Целью исследования является повышение удельной энергоемкости батареи, что позволит увеличить дальность пробега транспортных средств, усовершенствовать технологии быстрой зарядки аккумуляторов и сократить объемы использования редких металлов.
«Мы хотим сократить содержание кобальта и повысить содержание никеля», — говорит исследователь из Empa. Кобальт — один из самых дорогих материалов в батарее. Производители стараются сократить его использование, так как его поставки могут в будущем быть связанными со значительными политическими и социальными издержками и рисками. Напомним, что около 70% мировых объемов кобальта поступает на рынок из ДР Конго, а там работа шахтеров сопряжена с опасностью и вредными условиями труда. Основные же мощности по обогащению кобальтовой руды расположены в Китае. «Создание идеальной батареи — задача не из легких, зачастую требующая компромиссного подхода, от чего-то приходится отказываться, чтобы получить на выходе желаемый инженерный результат», — объясняет Корсин Батталья.
Дело в том, что никель, обычно добавляемый в состав батареи, увеличивает мощность аккумулятора и он относительно дешев, но при этом никель приводит к быстрому износу батареи. Ученые в Швейцарии поэтому проводят сейчас эксперименты, добавляя в графитовый анод кремний.
Этот материал представляет собой особый интерес для исследователей, поскольку он способен сохранять примерно в 10 раз больше энергии, чем графит. Но во время циклов заряда и разряда кремний подвержен расширению, что ведет к разрушению структуры анода и быстрой потере производительности. Эксперты Empa также занимаются сейчас разработкой новых датчиков быстрой зарядки для установки их на литий-ионные батареи, с тем чтобы аккумуляторы можно было заряжать быстрее и эффективнее. «Чтобы ускорить процесс зарядки нам нужно получить данные о локальной температуре и ресурсе аккумуляторной батареи, а также быстрее делать замеры внутри её ячеистых элементов», — говорит К. Батталья.
Твердотельные аккумуляторы
Еще одним претендентом на звание аккумулятора будущего является твердотельный аккумулятор с твердым электролитом, которым уже сейчас можно заменять вместо легковоспламеняющихся жидкие электролиты, используемые в обычных литий-ионных аккумуляторах. Такие батареи считаются более экономичными, безопасными, они требуют меньше сырья для их производства.
Новейшие прототипы позволяют предположить, что твердотельные батареи смогут в будущем хранить на 80% больше энергии, чем нынешние литий-ионные аккумуляторы того же веса и объема.
Корсин Батталья говорит, что такие прорывные технологии сулят нам множество преимуществ, но воспользоваться ими в полном объеме пока не получается, соответствующие разработки пока не готовы покинуть пределы исследовательских лабораторий. По его словам, разработать твердотельную батарею с большой емкостью и длительным сроком службы оказалось не так-то просто. «Сделать такой аккумулятор с удвоенной энергоемкостью не проблема, но, скорее всего, после 20 циклов перезарядки такая батарея выйдет из строя», — объясняет он. Остается обычная батарея.
Ее энергоемкость можно удвоить, заменив графит металлическим литием, но слишком быстрая зарядка батареи с большим содержанием лития приводит опять же к образованию дендритов, которые срок службы батареи резко сокращают.
Хотя батареи можно увеличить вдвое, заменив графит (материал анода литий-ионной батареи) на металлический литий, но слишком быстрая зарядка литий-металлической батареи вызовет образование дендритов, сокращающих срок ее службы. А ведь сумей твердотельные литиевые батареи решить все свои проблемы, с их помощью технологии, лежащие в основе мобильных источников энергии, смогли бы сделать огромный шаг вперед в плане и энергоемкости, и долговечности. В рамках проекта SOLIDIFY, направленного на разработку производственных процессов для так называемых аккумуляторов «поколения 4b», твердотельных аккумуляторов, которые могут быть готовы к выходу на рынок через десять лет, швейцарская структура Empa уже плотно сотрудничает с десятком своих европейских партнеров.
Эффективные системы хранения энергии
В ближайшие десятилетия значительный рост степени востребованности также ожидает стационарные системы хранения энергии.
Литий-ионные аккумуляторы и батареи с монокристаллическим катодом NMC, содержащим соединения никеля, марганца и кобальта, уже используются для хранения солнечной и ветровой энергии, получаемой в условиях домашних хозяйств. Ученые сейчас занимаются поиском альтернатив таким литий-ионным батареям, пытаясь усовершенствовать, например цинковые, натрий-ионные и ванадиевые аккумуляторы, которые, как оказалось, хорошо подходят для стационарного хранения энергии.
Однако для того, чтобы удовлетворить растущий спрос на такие хранилища и обеспечить их ценовую конкурентоспособность, необходимо еще приложить значительные усилия. Швейцарское ведомство Empa является одним из двенадцати партнеров, которые как раз и занимаются активизацией таких усилий в рамках европейского аккумуляторного проекта SOLSTICE, в котором также участвуют швейцарские фирмы FZSONICK и Quantis. Их цель заключается в разработке никель-солевых термальных аккумуляторных батарей на основе жидких натрия и цинка, которые работают только при высоких температурах и которые можно использовать для стационарного хранения энергии.
По словам К. Баттальи, по мере быстрого увеличения в ближайшие десятилетия спроса на стационарные накопительные системы и в связи с ростом числа электромобилей на дорогах спрос на инновационные аккумуляторы также будет возрастать, а это значит, что многие швейцарские фирмы, помимо уже имеющихся игроков, также смогут получить свою долю прибыли. «Ко мне часто обращаются швейцарские компании, которые не связаны напрямую с аккумуляторной отраслью, но, имея за плечами знания и опыт в сфере производства и интеграции (разных производственных процессов в единую систему), они все чаще рассматривают эту отрасль в качестве направления на рынке, перспективного и для них тоже».
Сотрудничество компаний Lonza и Natron Energy
Еще один крупный проект в области технологий хранения энергии реализуется сейчас в Швейцарии в рамках сотрудничества между биохимической компанией Lonza, расположенной в кантоне Вале, и американской компанией Natron Energy. В апреле 2021 года они объявили о достижении стратегического соглашения с целью поставки порошка берлинской лазури (синий пигмент/железисто-синеродистая соль окиси железа), необходимого для производства натриево-ионных аккумуляторов.
Один из бизнесов компании Lonza, компания Lonza Specialty Ingredients, будет производить порошок берлинской лазури для Natron Energy на своем предприятии в городе Фисп (Visp, кантон Вале). С конца следующего 2022 года этот пигмент будут использовать на производстве аккумуляторных электродов на новом предприятии этой компании, рассчитанном на примерно 100 сотрудников и расположенном недалеко от г. Сьон. Оттуда электроды швейцарского производства будут экспортироваться в США для использования в накопителях энергии от компании Natron.
Статья в этом материале
Ключевые слова:Массовость твердотельных батарей поставлена под сомнение — ДРАЙВ
Твердотельные батареи несут больший запас энергии на единицу массы. Они вовсю осваивают микроэлектронику (на снимке как раз миниатюрная полностью керамическая перезаряжаемая ячейка TDK CeraCharge).
А в автомобильной сфере они ещё экзотика, хотя попытки внедрения были.
Выходец из Теслы Джин Бердичевски, ныне генеральный директор калифорнийской компании Sila Nanotechnologies, назвал твердотельные батареи «ложной надеждой». Несколько обескураживающий тезис, учитывая огромное внимание к этому подвиду литиевых аккумуляторов со стороны крупных игроков.
Компетенция Sila Nanotechnologies — перспективные материалы для аккумуляторов, в том числе электроды.
Напомним, в твердотельных батареях применяются не только твёрдые электроды, но и твёрдый электролит, в отличие от жидкого электролита или геля в классических литий-ионных ячейках. Бердичевски считает, что трудности с твердотельной технологией (рост дендритов на электродах, микротрещины в электролите) в обозримом будущем преодолены не будут, а вот более традиционные литиево-ионные аккумуляторы ещё удивят.
Их ждут рост удельных параметров и снижение цены в массовом производстве.
У выбора типа ячеек есть экономическая составляющая. Крупные аккумуляторные заводы и ряд ещё намеченных к постройке заточены под литиево-ионные блоки. Массовый переход на твердотельные потребует замены большой части оборудования, тем самым обесценит уже сделанные инвестиции. (По часовой стрелке: Tesla в Неваде, CATL в Ниндэ, SK в Джорджии.)
В исследовательской работе, написанной Бердичевски вместе с техническим директором Sila Глебом Юшином, утверждается, что катоды из фторидов металлов или серы в сочетании с анодом из кремния дадут отличные результаты. В том числе они якобы помогут снизить стоимость литиевых ячеек для массового рынка. На заре литиевой технологии в 1991-м ценник составлял $4000 за киловатт-час, к 2007 году он упал до $200 с небольшим, сейчас это около $150, а боссы Sila Nanotechnologies предсказывают $50 к 2030 году и $30 к 2040-му.
Доказательство того, что твердотельные батареи в автопроме могут быть серийными: сегодня представлен электробус Mercedes-Benz eCitaro G.
Покупателям дан выбор между литиево-ионными батареями последнего поколения (NMC) или твердотельными. Первые выигрывают по скорости зарядки, а их ёмкость равна 396 кВт•ч, вторые не особо быстро заряжаются, зато их ёмкость достигает 441 кВт•ч!Интересно, насколько оценка Sila верна. Ведь в твердотельные батареи вложено немало средств. Исследования и совместные проекты в этой области затеяли такие гиганты, как Toyota и Volkswagen, но их последние батарейные модели всё же полагаются на более традиционные литиево-ионные ячейки. Фирма Fisker интенсивно работала над твердотельными аккумуляторами, но до готовности их ещё не довела. Так что запускать свою линейку серийных электрокаров, видимо, будет без них. На твердотельные аккумуляторы очень рассчитывала компания Dyson, но весь её автомобильный проект попал под нож. Кажется, не унывают лишь китайцы: серийный седан Enovate ME-S в 2021 году должен выйти на рынок именно с твердотельной батареей.
Volkswagen будет делать батареи для 3-4 млн электромобилей в год
На «Дне энергии», который сегодня провел концерн Volkswagen, было сделано несколько ключевых объявлений.
В частности, руководство группы заявило, что к 2030 году в Европе будет функционировать шесть фабрик по производству аккумуляторов мощностью 40 гигаватт-часов каждая и 240 гигаватт-часов в сумме.
На этих заводах станут выпускать некие унифицированные элементы питания одной модели. На слайдах при этом показывались призматические блоки, однако не исключено, что это могли быть не цельные аккумуляторы, а модули, в которых скрывались по несколько пальчиковых элементов питания.
Пока названо два таких завода. Во-первых, это пока что совместное предприятие Volkswagen и шведской компании Northvolt в немецком Зальцгиттере. Изначально это должно было быть СП с равными долями мощностью 16 гигаватт-часов в год. Теперь Volksweagen выкупает его полностью и увеличивает мощность до 40 гигаватт-часов в год.
Во-вторых, это собственное предприятие Northvolt в шведском Шеллефтео, которое также будет расширено до 40 гигаватт-часов в год. Для этого Volkswagen увеличит свою долю в капитале Northvolt с нынешних 20% до неназванного пока уровняи и гарантирует закупку элементов питания на 14 миллиардов долларов в течение следующих десяти лет.
Остальные четыре завода могут принадлежать сторонним поставщикам, однако выпускать они должны аккумуляторы унифицированного типа. Говоря о них, в Volkswagen отметили, что базовые электромобили получат литий-желелезо-фосфатные аккумуляторы, а вообще планируется несколько вариантов химического состава элементов питания вплоть до появления твердотельной технологии в будущем.
При этом все эти аккумуляторы все равно будут физически взаимозаменяемыми, унифицированными. То есть в батарее электромобиля менее емкий и более дешевый литий-железо-фасфатный аккумулятор может быть без проблем заменен на более продвинутый литий-ионный и наоборот.
Теперь позволим себе немного арифметики. Современная платформа MEB предусматривает емкость тяговой батареи для легковых электромобилей от 48 до 82 киловатт-часов. Это означает, что 240 гигаватт-часов хватит по меньшей мере на 3 миллиона машин ежегодно. Плюс на презентации было сказано, что универсальные аккумуляторы подойдут только 80% всех электрокаров группы, а, например, электромобили Audi и Porsche могут получить более продвинутые элементы питания.
Таким образом, Volkswagen планирует к 2030 году использовать аккумуляторы на 3-4 миллиона автомобилей в год, а к 2038 году довести долю электромобилей в своих продажах до 60%. Это выглядит правдоподобно, учитывая, что сейчас группа Volkswagen ежегодно продает примерно 10 миллионов машин разных марок.
В целом «День энергии» Volksewagen оказался весьма всеобъемлющим и в то же время довольно малоинформативным. Представители различных направлений отделались дежурными репликами.
Так, глава принадлежащей Volkswagen марки Scania произнес давно известную мысль о том, что уже сейчас существующие технологии позволяют делать электрические грузовики и автобусы, в Porsche рассказали о том, как в разработке батарей помогает автоспорт (приведя в пример не Формулу Е, а свою победу в гонках на выносливость с гибридным прототипом 2018 года), а в Audi напомнили о проекте «Артемида», а котором засекречено все, кроме названия.
Что делать, если потекла батарея отопления, устранение протечки радиатора
Говорят, что полное название знаменитого романа Чернышевского звучало как «Потекла батарея отопления.
Что делать?» Но так как Николай Гаврилыч наш сайт не читал и как устранить протечку радиатора не знал, то название книжки пришлось сократить до тривиального «Что делать?», а коммунальная революция в России задержалась на целых полтораста лет.
К счастью, сегодня любой гражданин РФ имеет возможность обратиться к нашему сайту и узнать, что ему делать, если потекла батарея отопления.
Кто виноват и куда звонить
Если потекла батарея отопления, то, во-первых, надо присмотреться, откуда течет, и подставить тазик.
Под место протечки надо поставить емкость для сбора теплоносителяВторой вопрос, который возникает у гражданина после того, как он убедиться, что у него потекла батарея: «Куда звонить?»
Звонить надо в ЖЭК или другую обслуживающую компанию. Скорее всего, вам пообещают немедленно отключить дефектный радиатор и поставят в очередь на ремонт или замену батареи. Дело в том, что, согласно действующему законодательству, а если говорить конкретно, то Постановлению Госстроя РФ № 170 «Об утверждении правил и норм технической эксплуатации жилищного фонда» от 27.
09.2003 г. и Постановлению Правительства РФ № 491 от 13.08.2007 г., домовая система отопления, включая радиаторы – это общее имущество дома.
Поэтому, даже если потекла батарея в приватизированной квартире, ее ремонт или замена должны осуществляться за счет тех ежемесячных взносов, которые вы платите на содержание вашего дома. Не принимайте никаких отговорок типа: «Ваша квартира, у вас потекла батарея, кто должен менять, если не вы?» За неисполнение вышеуказанных постановлений можно привлечь руководителей ЖКХ к административной, а то и к уголовной ответственности.
Но это в теории. А на практике – взносы взымаются, но пришедший из ЖЭКа сантехник отключит от теплоснабжения не одну батарею (если она снабжена краном, то отключить ее вы можете и сами), а всю вашу квартиру. А очередь на замену батареи или ее ремонт может длиться месяцами. В отопительный сезон, когда и протекают батареи, вас такой вариант вряд ли устроит.
Потекла батарея. Что делать своими руками?
Действовать надо, прежде всего, не своими руками, а своими ногами. Сходить в ЖЭК, дать на лапу сварщику, чтобы он заварил вашу протечку.
Холодная сварка для радиаторов MastixЕсли такой вариант вас не устраивает, то надо дойти до магазина строительных товаров и купить холодную сварку для радиаторов и труб Mastix. По сути – это клей с на основе эпоксидки с наполнителем из металлического порошка, главная прелесть которого в том, что он клеит и влажные поверхности.
Вообще говоря, вариантов ответа на вопрос: «Потекла батарея, чем заделать?» множество. Один рецепт предусматривает использование клея «Момент Супер Эпокси» — его надо намазать на бинт и обмотать дефектный участок батареи или трубы. Еще более экзотичный вариант – завернуть в марлю соль и прикрепить к «больному» месту: под действием воды соль (якобы!) «остекленеет» и, по заверениям экспертов и аналитиков, будет «держать» течь.
Ремонт батареи холодной сваркой «Аква»В общем, голь на выдумку хитра! Но лучше холодной сварки пока ничего не придумала.
Но этот вариант хорош в том случае, если потекла чугунная батарея. Если потек радиатор алюминиевый, то все гораздо сложнее. Прежде всего надо определить причину протечки. Чаще всего, по выражению экспертов и аналитиков, «усыхают» или «усаживаются» прокладки, которые обеспечивают герметизацию стыков между секциями.
В этом случае покупайте новые прокладки, меняйте, и будет вам счастье.
Хуже, если алюминиевая батарея потекла из-за жесткой воды. Жесткая вода разрушает защитное покрытие каналов для пропуска теплоносителя внутри алюминиевых батарей, после чего начинается разрушение самого алюминия.
Алюминиевый радиатор тоже может дать протечкуМожно, конечно, заменить одну секцию, но где гарантия, что завтра не потекут остальные?
Поэтому, если потек алюминиевый радиатор отопления, то надо менять, в первую очередь, воду. Если проблема возникла в частном доме или коттедже, и применена замкнутая система циркуляции теплоносителя, то можно просто нейтрализовать воду.
А потом поменять радиаторы. Желательно – на биметаллические: их живучесть даже при жёсткой российской воде гораздо выше.
Кстати, если потекла чугунная батарея, «что делать?» — не спрашивайте! Одним «Мастикосом» не обойдёшься! По окончании отопительного сезона все равно придётся вызывать сварщика и капитально заваривать трещины, свищи и пр. факторы протечек! Mastix – это временное решение!
Потек радиатор. Что делать в юридическом плане
Если у вас потек радиатор отопления, то, разумеется, управляющая компания, сервисная компания, которая обслуживает ваш дом, сделает все возможное, чтобы вы чинили и ремонтировали свою батарею сами. Не надо думать, что чиновники и менеджеры этих организаций слыхом не слыхивали про перечисленные в первой части нашей заметки Постановления правительства РФ и Госстроя. Слыхивали!
Замена радиатора отопления своими рукамиНо постараются придумать разные оговорки типа: «Мы обслуживаем до первого вентиля, а остальное всё – ваше!»
Как правило, если вы всерьёз намерены решать вопрос в суде, то нервы у чиновников и менеджеров не выдерживают, и они сдают позиции.
Но иногда они могут вас и переиграть. Например, у вас потек кран на батарее. Кто его должен менять? Как правило, в технической документации (особенно если вы живёте в хрущевке или брежневке постройки 60-70-х годов прошлого века) такой кран не значится. Значит, вы его поставили сами, и сами должны о нём радеть.
Сейчас сервисные организаторы даже составляют опись имущества, которое они берут на обслуживание. И, допустим, если вы поменяли старую чугунную батарею на новомодную биметаллическую, то сервисная организация может и не взять ее на обслуживание! Батарея-то действительно ваша! И поставили вы ее наверняка без согласования с ЖЭКом и все остальной коммунальной вертикалью власти!
Замену батарей в многоквартирном доме надо согласовывать точно также, как и любую другую переделку общего имущества: устройство дополнительных дверей в капитальных стенах, вынос отопления на остекленную лоджию и т.п. То есть, составлять план, заказывать технический проект в сертифицированной организации и т.
д.
В общем, мороки не оберешься. Поэтому в России в целом и в Москве в частности, если потек радиатор отопления, «что делать?» граждане не спрашивают, а идут в магазин, покупают за свои кровные новый радиатор, конспиративно дают на лапу сантехнику, чтобы он этот радиатор поставил, и сами следят за тем, чтобы он не тёк.
Электрический масляный радиатор тоже может протечьКоли уж речь зашла на столь щекотливую тему, то грех будет не ответить на вопрос: «Что делать, если потек масляный радиатор?»
Речь идёт, конечно, об интерьерном электрическом обогревателе, а не об автомобильном радиаторе охлаждения.
Опять: есть два варианта.
1.Второй вариант – замазать место протечки высокотемпературным маслостойким герметиком. Такие продаются в магазинах запчастей, используются для ремонта автомобильных радиаторов.
Починка масляного радиатора2.Что внутри батареи
Главная » Что внутри батареи?
Что внутри батареи?
Обычная батарея требует 3 частей для создания электричества:
- Анод — отрицательная сторона батареи
- Катод — положительная сторона аккумулятора
- Электролит — химическая паста, которая разделяет анод и катод и преобразует химическую энергию в электрическую
Внутри каждой батареи есть восстанавливаемые ресурсы, независимо от ее типа
Возьмем, к примеру, одноразовую щелочную батарейку./4e49ec5ad9e4f0c.ru.s.siteapi.org/img/a4e4a697f8374132ef9b8ebb5ddcb88dab75d99e.JPG)
Это неперезаряжаемые батареи типа AAA, AA, C, D, 9 вольт и различных размеров таблеточных элементов.
В среднем 25% батареи состоит из стали (корпус). Знаете ли вы, что сталь можно перерабатывать бесконечно? Наш механический процесс позволяет восстановить 100% стали в каждой батарее для повторного использования.
Батарея на 60% состоит из комбинации таких материалов, как цинк (анод), марганец (катод) и калий. Все эти материалы являются земными элементами. Эта комбинация материалов на 100% регенерируется и повторно используется в качестве микроэлемента при производстве удобрений для выращивания кукурузы.
Остальные 15% по весу составляют бумага и пластик (этикетка и защитная крышка). Эти материалы отправляются на производство энергии из отходов для производства электроэнергии.
Когда вы перерабатываете свои щелочные батареи в Raw Materials Company, вы можете быть уверены, что 100% каждой батареи используется повторно, и никакие материалы не будут выброшены на свалку.
Вы живете в Онтарио, Канада?
Если это так, вы можете поискать ближайший к вам магазин по переработке аккумуляторов.Просто введите свой почтовый индекс или название города в наш инструмент поиска. Если вы живете за пределами Онтарио, обратитесь в местный муниципалитет, чтобы найти ближайший к вам пункт утилизации.
Спасибо
Мы получили ваше сообщение и ответим вам в ближайшее время.
Быстрые ссылки
Для вашего удобства, вот список важных ссылок, связанных с этой страницей.
Знаете ли вы?
Свинцово-кислотные аккумуляторы — самые старые перезаряжаемые аккумуляторы, используемые до сих пор.В Канаде более 98% всех свинцово-кислотных аккумуляторов перерабатываются.
Узнайте больше о нашей технологии и о том, как вместе мы превращаем отходы в ценный ресурс.
Что такое батарея? — Learn.sparkfun.com
Избранное Любимый 22Введение
Батареи представляют собой набор из одной или нескольких ячеек, химические реакции которых создают поток электронов в цепи.Все батареи состоят из трех основных компонентов: анода (сторона «-»), катода (сторона «+») и электролита (вещество, которое химически реагирует с анодом и катодом).
Когда анод и катод батареи подключены к цепи, между анодом и электролитом происходит химическая реакция. Эта реакция заставляет электроны течь по цепи и возвращаться к катоду, где происходит другая химическая реакция.Когда материал в катоде или аноде расходуется или больше не может использоваться в реакции, батарея не может производить электричество.
В этот момент ваша батарея «умерла».
Батарейки, которые необходимо выбрасывать после использования, называются первичными батареями . Батареи, которые можно перезаряжать, называются вторичными батареями .
Литий-полимерные батареи, например, можно перезаряжать
Без батарей ваш квадрокоптер был бы привязан к стене, вам пришлось бы вручную заводить машину, а ваш контроллер Xbox должен был бы быть все время подключен к сети (как в старые добрые времена).Батареи предлагают способ хранения электрической потенциальной энергии в портативном контейнере.
Батарейки бывают разных форм, размеров и химического состава.
Изобретение современной батареи часто приписывают Алессандро Вольта. На самом деле все началось с удивительного происшествия, связанного с вскрытием лягушки.
Чему вы научитесь
В этом руководстве будут подробно рассмотрены следующие темы:
- Как были изобретены батареи
- Из каких частей состоит батарея
- Как работает аккумулятор
- Общие термины, используемые для описания батарей
- Различные способы использования батарей в цепях
Предлагаемая литература
Есть несколько понятий, с которыми вы, возможно, захотите ознакомиться перед тем, как начать читать это руководство:
Хотите изучить различные батареи?
Мы вас прикроем!
Щелочная батарея 9В
В наличии ПРТ-10218 Это ваши стандартные 9-вольтовые щелочные батареи от Rayovac.
Даже не думайте пытаться перезарядить их. Используйте их с…
История
Срок Батарея
Исторически слово «батарея» использовалось для описания «серии подобных объектов, сгруппированных вместе для выполнения определенной функции», как в артиллерийской батарее. В 1749 году Бенджамин Франклин впервые использовал этот термин для описания серии конденсаторов, которые он соединил вместе для своих экспериментов с электричеством.Позже этот термин будет использоваться для любых электрохимических элементов, соединенных вместе с целью обеспечения электроэнергии.
Батарея лейденской банки «конденсаторы», соединенные вместе(Изображение предоставлено Alvinrune из Викисклада)
Изобретение батареи
В один роковой день в 1780 году итальянский физик, врач, биолог и философ Луиджи Гальвани препарировал лягушку, прикрепленную к медному крючку.
Когда он коснулся лягушачьей лапки железным скальпелем, та дернулась.Гальвани предположил, что энергия исходит от самой ноги, но его коллега-ученый Алессандро Вольта считал иначе.
Вольта предположил, что импульсы лапок лягушки на самом деле были вызваны различными металлами, пропитанными жидкостью. Он повторил эксперимент, используя ткань, смоченную в рассоле, вместо трупа лягушки, что привело к аналогичному напряжению. Вольта опубликовал свои открытия в 1791 году, а позже в 1800 году создал первую батарею, вольтов столб.
Вольтов столб состоял из стопки цинковых и медных пластин, разделенных тканью, пропитанной соляным раствором
СтопкаVolta страдала от двух основных проблем: из-за веса стека электролит вытекал из ткани, а особые химические свойства компонентов приводили к очень короткому сроку службы (около часа).Следующие двести лет уйдут на совершенствование конструкции Вольты и решение этих проблем.
Исправления в Вольтовом столбе
Уильям Круикшенк из Шотландии решил проблему утечки, положив гальваническую батарею на бок, чтобы сформировать «корытообразную батарею».
Батарея желоба решила проблему утечки вольтовой батареи
Вторая проблема, короткий срок службы, была вызвана разложением цинка из-за примесей и образованием пузырьков водорода на меди.В 1835 году Уильям Стерджен обнаружил, что обработка цинка ртутью предотвращает деградацию.
Британский химик Джон Фредерик Дэниелл использовал второй электролит, который реагировал с водородом, предотвращая отложения на медном катоде. Двухэлектролитная батарея Даниэля, известная как «ячейка Даниэля», станет очень популярным решением для обеспечения энергией зарождающихся телеграфных сетей.
Коллекция клеток Даниэля 1836 года
Первая аккумуляторная батарея
В 1859 году французский физик Гастон Планте создал батарею из двух скрученных листов свинца, погруженных в серную кислоту.При реверсировании электрического тока через батарею химический состав вернется в исходное состояние, создав таким образом первую перезаряжаемую батарею.
Позже, в 1881 году, Камилла Альфонс Фор улучшила конструкцию Планте, превратив свинцовые листы в пластины. Эта новая конструкция упростила производство аккумуляторов, и свинцово-кислотные аккумуляторы получили широкое распространение в автомобилях.
-> Дизайн обычного «автомобильного аккумулятора» существует уже более 100 лет. Вплоть до конца 1800-х годов электролит в батареях находился в жидком состоянии.Это делало транспортировку батарей очень осторожным делом, и большинство батарей никогда не предназначалось для перемещения после подключения к цепи. В 1866 году Жорж Лекланше создал батарею, используя цинковый анод, катод из диоксида марганца и раствор хлорида аммония в качестве электролита. В то время как электролит в элементе Лекланше все еще был жидким, химический состав батареи оказался важным шагом на пути к изобретению сухого элемента. Карл Гасснер придумал, как создать электролитную пасту из хлорида аммония и гипса.Он запатентовал новую «сухую» батарею в 1886 году в Германии. Эти новые сухие элементы, обычно называемые «цинково-угольными батареями», производились массово и пользовались огромной популярностью до конца 1950-х годов. Хотя углерод не используется в химической реакции, он выполняет важную роль электрического проводника в угольно-цинковой батарее. -> 3-вольтовая угольно-цинковая батарея 1960-х годов В 1950-х годах Льюис Урри, Пол Марсал и Карл Кордеш из компании Union Carbide (позже известной как «Eveready», а затем «Energizer») заменили электролит хлорида аммония щелочным веществом на основе химического состава батареи, сформулированного Вальдемаром. Юнгнера в 1899 г.Щелочные сухие батареи могли удерживать больше энергии, чем угольно-цинковые батареи того же размера, и имели более длительный срок хранения. приобрели популярность в 1960-х годах, обогнали цинко-угольные батареи и с тех пор стали стандартными первичными элементами для потребительского использования. -> Щелочные батареи бывают разных форм и размеров В 1970-х годах COMSAT разработал никель-водородную батарею для использования в спутниках связи.Эти батареи хранят водород в газообразной форме под давлением. Многие искусственные спутники, такие как Международная космическая станция, по-прежнему используют никель-водородные батареи. Исследования нескольких компаний с конца 1960-х годов привели к созданию никель-металлогидридной (NiMH) батареи. NiMH аккумуляторы были выпущены на потребительский рынок в 1989 году и стали более дешевой альтернативой перезаряжаемым никель-водородным элементам. Asahi Chemical из Японии создала первую литий-ионную батарею в 1985 году, а Sony создала первую коммерческую литий-ионную батарею в 1991 году. Химические реакции в литий-полимерном аккумуляторе практически такие же, как и в литий-ионном аккумуляторе Очевидно, что было изобретено, произведено и устарело намного больше химических элементов аккумуляторов. Если вы хотите узнать больше о современных и популярных технологиях аккумуляторов, ознакомьтесь с нашим руководством по технологиям аккумуляторов. состоят из трех основных компонентов: анода , катода и электролита . Сепаратор часто используется для предотвращения соприкосновения анода и катода, если электролита недостаточно. Для хранения этих компонентов аккумуляторы обычно имеют какой-нибудь кожух . И анод, и катод относятся к типам электродов . Электроды — это проводники, по которым электричество входит или выходит из компонента в цепи. Электроны вытекают из анода в устройстве, подключенном к цепи. Это означает, что обычный «ток» течет в анод. На батареях анод помечен как отрицательная (-) клемма В батарее химическая реакция между анодом и электролитом вызывает накопление электронов в аноде.Эти электроны хотят двигаться к катоду, но не могут пройти через электролит или сепаратор. Электроны текут в катод в устройстве, подключенном к цепи. Это означает, что обычный «ток» течет из катода. На батареях катод обозначен как положительная (+) клемма В батареях химическая реакция внутри или вокруг катода использует электроны, произведенные в аноде. Электролит – это вещество, часто жидкое или гелеобразное, способное переносить ионы между химическими реакциями, протекающими на аноде и катоде. Электролит также препятствует потоку электронов между анодом и катодом, так что электроны легче проходят через внешнюю цепь, а не через электролит. -> Щелочные батареи могут вытекать из своего электролита, гидроксида калия, при воздействии сильного нагрева или обратного напряжения Электролит имеет решающее значение в работе аккумулятора.Поскольку электроны не могут пройти через него, они вынуждены путешествовать по электрическим проводникам в виде цепи, соединяющей анод с катодом. Сепараторы представляют собой пористые материалы, препятствующие соприкосновению анода и катода, что может вызвать короткое замыкание в аккумуляторе. В гальваническом столбе использовалась ткань или картон (разделитель), пропитанные солевым раствором (электролитом), чтобы держать электроды друг от друга Ионы в электролите могут быть положительно заряжены, отрицательно заряжены и могут иметь различные размеры. Могут быть изготовлены специальные сепараторы, которые пропускают одни ионы, но не пропускают другие. Большинству батарей нужен способ содержать химические компоненты. Корпуса, также известные как «корпуса» или «оболочки», представляют собой просто механические конструкции, предназначенные для удержания внутренних частей батареи. Эта свинцово-кислотная батарея имеет пластиковый корпус Корпуса аккумуляторов могут быть изготовлены практически из чего угодно: пластика, стали, пакетов из мягкого полимерного ламината и так далее. Для работы батарей обычно требуется несколько химических реакций.По крайней мере, одна реакция происходит на аноде или вокруг него, и одна или несколько реакций происходят на катоде или вокруг него. Во всех случаях реакция на аноде производит дополнительные электроны в процессе, называемом окислением , а реакция на катоде использует дополнительные электроны во время процесса, известного как восстановление . Когда переключатель замкнут, цепь замыкается, и электроны могут течь от анода к катоду. Эти электроны обеспечивают химические реакции на аноде и катоде. По сути, мы разделяем определенный вид химической реакции, реакцию восстановления-окисления или окислительно-восстановительную реакцию, на две отдельные части. Эта первая часть окислительно-восстановительной реакции, окисление, происходит между анодом и электролитом и производит электроны (обозначены как e — ). В некоторых реакциях окисления образуются ионы, например, в литий-ионном аккумуляторе. В других химических реакциях расходуются ионы, как в обычной щелочной батарее. В любом случае ионы могут свободно проходить через электролит, а электроны — нет. Другая половина окислительно-восстановительной реакции, восстановление, происходит на катоде или вблизи него. Электроны, образующиеся в результате реакции окисления, расходуются при восстановлении. В некоторых случаях, например, в литий-ионных батареях, положительно заряженные ионы лития, образующиеся в ходе реакции окисления, расходуются при восстановлении. В большинстве батарей некоторые или все химические реакции могут происходить, даже если батарея не подключена к электрической цепи. Эти реакции могут повлиять на срок годности батареи. По большей части реакции будут происходить в полную силу только тогда, когда электрическая проводящая цепь замкнута между анодом и катодом. Чем меньше сопротивление между анодом и катодом, тем больше электронов может протекать и тем быстрее происходят химические реакции. Создание короткого замыкания в аккумуляторе (в данном случае даже случайного) может быть опасным. Известно, что литий-ионные батареи перегреваются и даже дымят или загораются при наличии короткого замыкания. Мы можем пропустить эти движущиеся электроны через различные электрические компоненты, известные как «нагрузка», чтобы выполнить что-то полезное. Химические вещества в батарее в конечном итоге достигнут состояния равновесия. В этом состоянии химические вещества больше не будут реагировать, и в результате батарея больше не будет генерировать электрический ток. В этот момент аккумулятор считается «разряженным». Первичные элементы должны быть утилизированы, когда батарея разряжена. Вторичные элементы можно перезаряжать, и это достигается путем подачи обратного электрического тока через батарею.Перезарядка происходит, когда химические вещества выполняют еще одну серию реакций, чтобы вернуть их в исходное состояние. Люди часто используют общий набор терминов, когда говорят о напряжении батареи, емкости, возможностях источника тока и так далее. Элемент относится к одному аноду и катоду, разделенным электролитом, используемым для получения напряжения и тока. Обычная 9-вольтовая батарея содержит шесть щелочных элементов 1,5 В, установленных друг над другом Первичные клетки содержат химию, которую нельзя обратить. В результате батарея должна быть выброшена после того, как она мертва. Вторичные элементы можно перезарядить и вернуть их химический состав в исходное состояние.Эти элементы, также известные как «перезаряжаемые батареи», можно использовать много раз. Номинальное напряжение батареи – это напряжение, указанное производителем. Например, щелочные батареи AA указаны как имеющие напряжение 1,5 В. В этой статье от Mad Scientist Hut показано, что их протестированные щелочные батареи начинаются с напряжения около 1,55 В, а затем постепенно теряют напряжение по мере разрядки. Этот аккумуляторный блок Storm для квадрокоптеров показывает кривую разрядки их LiPo элементов, начиная с 4,2 В и падая примерно до 2,8 В по мере разрядки. Номинальное напряжение, указанное для большинства литий-ионных и LiPo элементов, составляет 3,7 В. В этом случае номинальное напряжение «3,7 В» относится к среднему напряжению батареи в течение цикла ее разрядки. Емкость аккумулятора — это мера количества электрического заряда, который он может отдать при определенном напряжении. Большинство аккумуляторов рассчитаны на ампер-часы (Ач) или миллиампер-часы (мАч). Этот аккумулятор LiPo рассчитан на 1000 мАч, что означает, что он может обеспечить 1 ампер в течение 1 часа, прежде чем он будет считаться разряженным. Большинство графиков разряда батареи показывают напряжение батареи как функцию емкости, например, эти тесты батареи AA от PowerStream. Многие аккумуляторы, особенно мощные литий-ионные аккумуляторы, обозначают ток разряда как «C-Rate», чтобы более четко определить атрибуты аккумулятора.C-Rate — это скорость разряда относительно максимальной емкости аккумулятора. 1С — это величина тока, необходимая для разрядки аккумулятора за 1 час. Например, батарея емкостью 400 мАч, обеспечивающая ток 1С, будет обеспечивать 400 мА. 5С для той же батареи будет 2 А. Большинство аккумуляторов теряют емкость при повышенном потреблении тока. Например, этот информационный график продукта от Chargery показывает, что их аккумулятор LiPo имеет меньшую емкость мАч при более высоких показателях C-Rate. ПРИМЕЧАНИЕ: Общий совет гласит, что вы должны заряжать аккумуляторы LiPo при температуре 1С или меньше. В Массачусетском технологическом институте есть фантастическое руководство по спецификациям аккумуляторов и терминологии, которое идет гораздо дальше этого обзора. Некоторые схемы могут питаться от одного элемента, но убедитесь, что батарея может обеспечивать достаточное напряжение и ток. Если напряжение слишком высокое или слишком низкое для вашей схемы, вам, вероятно, понадобится преобразователь постоянного тока в постоянный. Чтобы увеличить напряжение между клеммами батареи, вы можете соединить элементы последовательно. Серия означает укладку элементов встык, соединяя анод одного с катодом следующего. Соединяя аккумуляторы последовательно, вы увеличиваете общее напряжение. Добавьте напряжение всех ячеек, чтобы определить рабочее напряжение. Емкость остается прежней. В этом примере последовательно соединены четыре элемента по 1,5 В.Напряжение на нагрузке составляет 6 В, а общий комплект аккумуляторов имеет емкость 2000 мАч. В большинстве устройств бытовой электроники, в которых используются щелочные батареи, батареи устанавливаются последовательно. Например, этот держатель для двух батарей типа АА может повысить номинальное напряжение до 3 В для проекта. Если напряжения одного элемента достаточно для нагрузки, вы можете добавить батареи параллельно, чтобы увеличить емкость. Обратите внимание, что это также означает увеличение доступного тока (C-Rate). Будьте осторожны при параллельном соединении батарей! Все элементы должны иметь одинаковое номинальное напряжение и одинаковый уровень заряда. Если есть какие-либо перепады напряжения, может произойти короткое замыкание, что приведет к перегреву и возгоранию. В этом примере четыре элемента по 1,5 В соединены параллельно. Напряжение на нагрузке остается на уровне 1,5 В, но общая емкость увеличивается до 8000 мАч. Если вы хотите увеличить напряжение и емкость, вы можете комбинировать последовательные и параллельные батареи. Еще раз убедитесь, что уровень напряжения для батарей, включенных параллельно, одинаков, так как может произойти короткое замыкание. В этом примере общее напряжение на нагрузке составляет 3 В, а общая емкость аккумуляторов составляет 4000 мАч. В больших аккумуляторных батареях, особенно литий-ионных, вы часто видите конфигурацию, указанную с использованием букв «S» и «P» для последовательного и параллельного подключения. Конфигурация схемы выше — 2S2P. В качестве практического примера современные электромобили используют массивные батареи, соединенные последовательно и параллельно. К этому моменту вы уже должны понимать, как были изобретены батареи и как они работают. Если вы хотите узнать больше об аккумуляторах, вот еще несколько руководств: Хотите увидеть батареи в действии? Взгляните на эти проекты, в которых используются разные батареи в разных конфигурациях: В этом учебном пособии демонстрируется одна из многих техник «взлома» Саймона. Мы расскажем, как взять ваш Simon Says Wireless. Аккумуляторы и аналогичные устройства принимают, хранят и выдают электроэнергию по требованию. Батареи используют химию в форме химического потенциала для хранения энергии, как и многие другие повседневные источники энергии. Например, бревна хранят энергию в своих химических связях до тех пор, пока горение не преобразует энергию в тепло. Батарейки были изобретены в 1800 году, но их химические процессы сложны. Ученые используют новые инструменты, чтобы лучше понять электрические и химические процессы в батареях, чтобы создать новое поколение высокоэффективных накопителей электроэнергии.Например, они разрабатывают улучшенные материалы для анодов, катодов и электролитов в батареях. Ученые изучают процессы в перезаряжаемых батареях, потому что они не полностью меняются местами при зарядке и разрядке батареи. Со временем отсутствие полного реверсирования может изменить химический состав и структуру материалов батареи, что может снизить производительность и безопасность батареи. Исследования, проведенные при поддержке Управления науки Министерства энергетики и Управления фундаментальных энергетических наук (BES), привели к значительным улучшениям в области хранения электроэнергии. BES поддерживает исследования отдельных ученых и междисциплинарных центров.Крупнейшим центром является Объединенный центр исследований в области хранения энергии (JCESR), центр инноваций в области энергетики Министерства энергетики. Этот центр изучает электрохимические материалы и явления на атомном и молекулярном уровне и использует компьютеры для разработки новых материалов. Это новое знание позволит ученым разработать более безопасное хранилище энергии, которое прослужит дольше, быстрее заряжается и имеет большую емкость. Научные термины могут сбивать с толку.Объяснения DOE предлагают простые объяснения ключевых слов и понятий в фундаментальной науке. В нем также описывается, как эти концепции применяются к работе, которую проводит Управление науки Министерства энергетики, помогая Соединенным Штатам преуспеть в исследованиях во всем научном спектре. Наступил век электромобилей. Ранее в этом году американский автомобильный гигант General Motors объявил, что к 2035 году намерен прекратить продажу бензиновых и дизельных моделей.Audi, базирующаяся в Германии, планирует прекратить производство таких автомобилей к 2033 году. Многие другие автомобильные транснациональные корпорации выпустили аналогичные дорожные карты. Внезапно промедление крупных автопроизводителей с электрификацией своего автопарка превращается в спешку. Электрификация личной мобильности набирает обороты, о которых еще несколько лет назад даже не могли мечтать даже самые ярые ее сторонники. Во многих странах правительственные мандаты ускорят изменения. Но даже без новой политики или правил половина мировых продаж легковых автомобилей в 2035 году будет приходиться на электромобили, согласно данным лондонской консалтинговой компании BloombergNEF (BNEF). Эта масштабная промышленная конверсия знаменует собой «переход от топливоемкой к материалоемкой энергетической системе», заявило Международное энергетическое агентство (МЭА) в мае 1 . Источник: Реф. 2 Предвидя мир, в котором доминируют электромобили, ученые-материаловеды работают над двумя большими задачами.Один из них заключается в том, как сократить количество металлов в батареях, которые являются дефицитными, дорогими или проблематичными, поскольку их добыча сопряжена с серьезными экологическими и социальными издержками. Другой — улучшить переработку аккумуляторов, чтобы можно было эффективно повторно использовать ценные металлы из отработанных автомобильных аккумуляторов. «Вторичная переработка будет играть ключевую роль в этом комплексе», — говорит Кваси Ампофо, горный инженер, ведущий аналитик по металлам и горнодобывающей промышленности в BNEF. Производители аккумуляторов и автомобилей уже тратят миллиарды долларов на снижение затрат на производство и переработку аккумуляторов для электромобилей, что отчасти вызвано государственными стимулами и ожиданием будущих правил. Первой задачей исследователей является сокращение количества металлов, которые необходимо добывать для аккумуляторов электромобилей. Количество варьируется в зависимости от типа аккумулятора и модели автомобиля, но один автомобильный литий-ионный аккумулятор (известного как NMC532) может содержать около 8 кг лития, 35 кг никеля, 20 кг марганца и 14 кг марганца. Аналитики не ожидают отказа от литий-ионных батарей в ближайшее время: их стоимость упала настолько резко, что они, вероятно, станут доминирующей технологией в обозримом будущем.Сейчас они в 30 раз дешевле, чем когда они впервые появились на рынке в качестве небольших портативных батарей в начале 1990-х годов, даже несмотря на то, что их производительность улучшилась. BNEF прогнозирует, что к 2023 году стоимость литий-ионного аккумулятора для электромобиля упадет ниже 100 долларов США за киловатт-час, или примерно на 20% ниже, чем сегодня (см. «Резкое падение стоимости аккумуляторов»). В результате электромобили, которые по-прежнему дороже обычных, должны достичь паритета цен к середине 2020-х годов. (По некоторым оценкам, электромобили уже дешевле автомобилей с бензиновым двигателем в течение всего срока службы благодаря тому, что они менее затратны в питании и обслуживании.) Для производства электроэнергии литий-ионные батареи перемещают ионы лития внутри от одного слоя, называемого анодом, к другому, катоду. Катод типичного литий-ионного аккумуляторного элемента представляет собой тонкий слой слизи, содержащей микрокристаллы, которые часто похожи по структуре на минералы, встречающиеся в природе в земной коре или мантии, такие как оливины или шпинели.Кристаллы соединяют отрицательно заряженный кислород с положительно заряженным литием и различными другими металлами — в большинстве электромобилей это смесь никеля, марганца и кобальта. При перезарядке батареи ионы лития вырываются из этих оксидных кристаллов и притягиваются к аноду на основе графита, где они хранятся, зажатые между слоями атомов углерода (см. «Электрическое сердце»). Источник: адаптировано из G. Harper et al. Natur e 575 , 75–86 (2019) и G. Offer et al.Природа 582 , 485–487 (2020). Сам по себе литий не является дефицитом. Поскольку автомобили электрифицируются, задача заключается в увеличении производства лития для удовлетворения спроса, говорит Ампофо. «В период с 2020 по 2030 год он вырастет примерно в семь раз». Это может привести к временному дефициту и резким колебаниям цен, говорит он. Но рыночные сбои не изменят картину в долгосрочной перспективе. «По мере создания новых перерабатывающих мощностей эта нехватка, скорее всего, устранится сама собой», — говорит Хареш Камат, специалист по накоплению энергии в Исследовательском институте электроэнергетики в Пало-Альто, Калифорния. Соляные отложения на заводе по производству лития на солончаках Уюни в Потоси, Боливия. Предоставлено: Carlos Becerra/Bloomberg/Getty Увеличение добычи лития связано с экологическими проблемами: современные формы добычи требуют большого количества энергии (для извлечения лития из горных пород) или воды (для извлечения из рассолов). Но более современные методы извлечения лития из геотермальной воды с использованием геотермальной энергии для управления процессом считаются более безопасными.И, несмотря на эти экологические потери, добыча лития поможет заменить разрушительную добычу ископаемого топлива. Исследователей больше беспокоит кобальт, который является наиболее ценным компонентом современных аккумуляторов для электромобилей. Две трети мировых поставок добываются в Демократической Республике Конго. Активисты-правозащитники выразили обеспокоенность условиями там, в частности, детским трудом и вредом для здоровья рабочих; как и другие тяжелые металлы, кобальт токсичен, если с ним не обращаться должным образом. Для решения проблем с сырьем ряд лабораторий экспериментировал с катодами с низким содержанием или без кобальта. Но катодные материалы должны быть тщательно разработаны, чтобы их кристаллическая структура не разрушалась, даже если во время зарядки удаляется более половины ионов лития.А полный отказ от кобальта часто снижает плотность энергии батареи, говорит материаловед Арумугам Мантирам из Техасского университета в Остине, потому что он изменяет кристаллическую структуру катода и то, насколько прочно он может связывать литий. Мантирам входит в число исследователей, решивших эту проблему — по крайней мере, в лаборатории — показав, что кобальт можно удалить из катодов без ущерба для производительности 4 . Сунь Ян-Кук из Университета Ханьянг в Сеуле, Южная Корея, — еще один ученый-материаловед, добившийся аналогичных результатов в производстве катодов, не содержащих кобальта. Сан говорит, что некоторые технические проблемы могут остаться при создании новых катодов, потому что процесс основан на рафинировании богатых никелем руд, для чего может потребоваться дорогая атмосфера с чистым кислородом. Рабочие добывают кобальт возле шахты между Лубумбаши и Колвези в Демократической Республике Конго. Фото: Federico Scoppa/AFP/Getty хоть и не такой дорогой, как кобальт, но и не дешевый. Исследователи также хотят удалить его. «Мы решили проблему нехватки кобальта, но из-за того, что мы так быстро расширяемся, мы движемся прямо к проблеме никеля», — говорит Гербранд Седер, материаловед из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли в Беркли, Калифорния.Но удаление как кобальта, так и никеля потребует перехода к радикально другим кристаллическим структурам для катодных материалов. Один из подходов заключается в использовании материалов, называемых неупорядоченными каменными солями. Если батареи будут производиться без кобальта, исследователи столкнутся с непредвиденными последствиями. Металл является основным фактором, который делает переработку аккумуляторов экономичной, потому что другие материалы, особенно литий, в настоящее время дешевле добывать, чем перерабатывать. На типичном заводе по переработке аккумуляторы сначала измельчаются, что превращает элементы в порошкообразную смесь всех используемых материалов. Затем эту смесь разлагают на составляющие ее элементы либо сжижением в плавильне (пирометаллургия), либо растворением в кислоте (гидрометаллургия). Наконец, металлы осаждаются из раствора в виде солей. Механический шредер измельчает аккумуляторные модули, показанные здесь на заводе по переработке в Дюзенфельде в Германии. Фото: Wolfram Schroll/Duesenfeld Исследовательские усилия были сосредоточены на усовершенствовании процесса, чтобы сделать переработанный литий экономически привлекательным.Подавляющее большинство литий-ионных аккумуляторов производится в Китае, Японии и Южной Корее; соответственно, возможности переработки там растут быстрее всего. Например, компания Guangdong Brunp из Фошаня — дочерняя компания CATL, крупнейшего производителя литий-ионных элементов в Китае — может перерабатывать 120 000 тонн батарей в год, по словам представителя. Европейская комиссия предложила ввести строгие требования к переработке аккумуляторов, которые могут быть введены поэтапно с 2023 года, хотя перспективы блока по развитию отечественной отрасли переработки неясны 6 . Тем временем администрация президента США Джо Байдена хочет потратить миллиарды долларов на развитие отечественной отрасли по производству аккумуляторов для электромобилей и поддержку переработки, но пока не предложила нормативных актов, выходящих за рамки существующего законодательства, классифицирующего аккумуляторы как опасные отходы, которые необходимо безопасно утилизировать. Измельченный аккумуляторный порошок, или «черная масса», очищается от пластин на предприятии Li-Cycle по переработке аккумуляторов в Кингстоне, Онтарио, Канада. Предоставлено: Christinne Muschi/Bloomberg/Getty Более радикальным подходом является повторное использование катодных кристаллов, а не разрушение их структуры, как это делают в гидро- и пирометаллургии.ReCell, совместное предприятие стоимостью 15 миллионов долларов США, которым управляет Spangenberger, включает в себя три национальные лаборатории, три университета и множество отраслевых игроков. Он разрабатывает методы, которые позволят переработчикам извлекать катодные кристаллы и перепродавать их. Эти методы обработки работают с целым рядом кристаллических структур и составов, говорит Гейнс. Но если центр переработки получает поток отходов, который включает в себя множество типов батарей, различные типы катодного материала окажутся в котле для переработки. Это может усложнить усилия по разделению различных типов катодных кристаллов. Хотя процессы, разработанные ReCell, могут легко отделить никель, марганец и кобальт от других типов элементов, таких как, например, те, которые используют фосфат лития-железа, им будет трудно разделить два типа, которые оба содержат кобальт и никель, но в разных пропорции. Рабочий автомобильной фирмы Renault готовится к демонтажу аккумулятора. Фирма заявляет, что перерабатывает все аккумуляторы для своих электромобилей — на данный момент всего пару сотен в год. Фото: Оливье Геррен, Photothèque Veolia Еще одним потенциальным препятствием является то, что химия катодов постоянно развивается.Катоды, которые производители будут использовать через 10–15 лет — в конце жизненного цикла современных автомобилей — вполне могут отличаться от сегодняшних. Наиболее эффективным способом получения материалов для производителя может быть сбор собственных батарей в конце жизненного цикла. И батареи должны быть разработаны с нуля таким образом, чтобы их было легче разбирать, добавляет Гейнс. Материаловед Эндрю Эбботт из Университета Лестера, Великобритания, утверждает, что переработка будет намного выгоднее, если она пропустит стадию измельчения и разберет клетки напрямую. Какие бы процессы переработки не стали стандартными, масштаб поможет.По словам Мелина, хотя в сообщениях средств массовой информации грядущий поток отработавших батарей обычно описывается как надвигающийся кризис, аналитики видят в нем большие возможности. Как только миллионы больших батарей начнут подходить к концу своего жизненного цикла, вступит в силу эффект масштаба, который сделает переработку более эффективной, а ее экономическое обоснование — более привлекательным. Конвейер производства электромобилей на заводе Nio в Хэфэй, Китай. Предоставлено: Qilai Shen/Bloomberg/Getty Аналитики говорят, что пример свинцово-кислотных аккумуляторов — тех, которые заводят автомобили с бензиновым двигателем — дает повод для оптимизма.Поскольку свинец токсичен, эти батареи классифицируются как опасные отходы и должны утилизироваться безопасным образом. Но вместо этого развилась эффективная промышленность по их переработке, несмотря на то, что свинец дешев. «Более 98% свинцово-кислотных аккумуляторов восстанавливаются и перерабатываются, — говорит Камат. «Ценность свинцово-кислотного аккумулятора даже ниже, чем литий-ионного. Но из-за большого объема в любом случае имеет смысл перерабатывать», — говорит Мелин. Может пройти некоторое время, прежде чем рынок литий-ионных аккумуляторов достигнет своего полного размера, отчасти потому, что эти аккумуляторы стали исключительно долговечными: современные автомобильные аккумуляторы могут работать до 20 лет, говорит Камат. Это означает, что когда старые электромобили отправляются на слом, батареи зачастую не выбрасываются и не перерабатываются. Вместо этого их вынимают и повторно используют для менее требовательных приложений, таких как стационарные накопители энергии или моторные лодки. После десяти лет использования автомобильный аккумулятор, такой как у Nissan Leaf, который первоначально содержал 50 киловатт-часов, потеряет не более 20% своей емкости. Еще один майский отчет МЭА, организации, известной своими исторически осторожными прогнозами, включал дорожную карту 8 по достижению глобального нулевого уровня выбросов к середине века, которая включает переход на электрический транспорт в качестве краеугольного камня. Уверенность в том, что это достижимо, отражает растущий консенсус среди политиков, исследователей и производителей в том, что проблемы электрификации автомобилей теперь полностью решаемы, и что если мы хотим иметь хоть какую-то надежду удержать изменение климата на управляемом уровне, нельзя терять время. Но некоторые исследователи жалуются, что электрические транспортные средства, кажется, придерживаются невозможных стандартов с точки зрения воздействия их аккумуляторов на окружающую среду. «Было бы досадно и контрпродуктивно отказываться от хорошего решения, настаивая на идеальном решении», — говорит Камат. «Это, конечно, не означает, что мы не должны агрессивно работать над вопросом утилизации аккумуляторов». Министерство энергетики США
9 мая 2021 г. Аккумуляторы и аналогичные устройства принимают, хранят и отдают электроэнергию по требованию.Батареи используют химию в форме химического потенциала для хранения энергии, как и многие другие повседневные источники энергии. Например, бревна хранят энергию в своих химических связях до тех пор, пока горение не преобразует энергию в тепло. Бензин накапливает химическую потенциальную энергию до тех пор, пока она не преобразуется в механическую энергию в двигателе автомобиля. Аккумуляторы состоят из двух электрических выводов, называемых катодом и анодом, разделенных химическим материалом, называемым электролитом.Для приема и высвобождения энергии батарея подключается к внешней цепи. Электроны движутся по цепи, в то время как ионы (атомы или молекулы с электрическим зарядом) движутся по электролиту. В перезаряжаемой батарее электроны и ионы могут двигаться в любом направлении по цепи и электролиту. Когда электроны движутся от катода к аноду, они увеличивают химическую потенциальную энергию, тем самым заряжая батарею; когда они движутся в другом направлении, они преобразуют эту химическую потенциальную энергию в электричество в цепи и разряжают батарею.Во время зарядки или разрядки противоположно заряженные ионы перемещаются внутри батареи через электролит, чтобы сбалансировать заряд электронов, движущихся по внешней цепи, и создать устойчивую перезаряжаемую систему. Батарейки были изобретены в 1800 году, но их химические процессы сложны. Ученые используют новые инструменты, чтобы лучше понять электрические и химические процессы в батареях, чтобы создать новое поколение высокоэффективных накопителей электроэнергии.Например, они разрабатывают улучшенные материалы для анодов, катодов и электролитов в батареях. Ученые изучают процессы в перезаряжаемых батареях, потому что они не полностью меняются местами при зарядке и разрядке батареи. Со временем отсутствие полного реверсирования может изменить химический состав и структуру материалов батареи, что может снизить производительность и безопасность батареи. Исследования, проведенные при поддержке Управления науки Министерства энергетики и Управления фундаментальных энергетических наук (BES), привели к значительным улучшениям в области хранения электроэнергии.Но мы все еще далеки от комплексных решений для хранения энергии следующего поколения с использованием совершенно новых материалов, которые могут значительно увеличить количество энергии, которое может хранить батарея. Это хранилище имеет решающее значение для интеграции возобновляемых источников энергии в наше электроснабжение. Поскольку совершенствование аккумуляторных технологий необходимо для широкого использования подключаемых к сети электромобилей, хранение также является ключом к снижению нашей зависимости от нефти в качестве транспорта. BES поддерживает исследования отдельных ученых и междисциплинарных центров.Крупнейшим центром является Объединенный центр исследований в области хранения энергии (JCESR), центр инноваций в области энергетики Министерства энергетики. Этот центр изучает электрохимические материалы и явления на атомном и молекулярном уровне и использует компьютеры для разработки новых материалов. Это новое знание позволит ученым разработать более безопасное хранилище энергии, которое прослужит дольше, быстрее заряжается и имеет большую емкость. По мере того, как ученые, поддерживаемые программой BES, добиваются новых успехов в науке об аккумуляторах, эти достижения используются прикладными исследователями и промышленностью для улучшения приложений в области транспорта, электросетей, связи и безопасности. Найдите информацию о типах батарей, используемых в домашнем хозяйстве, и о том, как обращаться с ними, когда они больше не нужны. Определенные батареи следует НЕ выбрасывать в бытовой мусор или мусорные баки. На этой странице вы можете узнать, как безопасно обращаться с этими батареями. Отработанные аккумуляторы всегда можно сдать на переработку или сдать в пункты сбора опасных бытовых отходов. Во избежание возгорания литий-ионных аккумуляторов заклейте клеммы аккумуляторов и/или поместите аккумуляторы в отдельные пластиковые пакеты и никогда не выбрасывайте эти аккумуляторы в бытовой мусор или мусорные баки. На этой странице: Ежегодно в США покупаются, используются и перерабатываются или выбрасываются в мусор миллионы одноразовых и перезаряжаемых батареек. Батареи бывают разного химического состава, типов и размеров в зависимости от их использования. Возросший спрос на батареи можно проследить в основном за счет быстрого роста использования небольшой портативной электроники, электроинструментов и других предметов повседневного обихода, а также увеличения количества «умных» продуктов, таких как мелкие и крупные бытовые приборы и автомобили. производятся с использованием различных смесей химических элементов, предназначенных для удовлетворения потребностей клиентов в мощности и производительности. Батареи могут содержать такие металлы, как ртуть, свинец, кадмий, никель и серебро, которые могут представлять угрозу для здоровья человека или окружающей среды при неправильном обращении в конце срока их службы.Типы батарей идентифицируются по маркировке и маркировке, а не по форме батареи или цвету этикетки. Некоторые батареи могут также содержать такие материалы, как кобальт, литий и графит, которые Геологическая служба США считает критически важными минералами. Критические полезные ископаемые — это сырье, которое имеет экономическое и стратегическое значение для Соединенных Штатов и имеет высокий потенциал риска поставок и для которого нет простых заменителей. Когда батарея больше не используется, тип и химический состав батареи определяют, какой из различных вариантов обращения с отходами использовать. Важно правильно обращаться с батареями в соответствии с их типом, поскольку некоторые батареи могут представлять опасность для безопасности и здоровья при неправильном обращении в конце срока их службы. Батареи могут иметь достаточно энергии, чтобы нанести травму или вызвать пожар, даже если они используются и когда они кажутся разряженными. В целях безопасности помните, что не все батареи могут быть съемными или обслуживаемыми пользователем — обратите внимание на маркировку батареи и продукта, касающуюся безопасности и использования для всех типов батарей. Щелочные и цинко-угольные Некоторые компании по утилизации этих батарей перерабатывают; проконсультируйтесь с вашим местным или государственным органом по твердым отходам для выбора вариантов управления. В большинстве населенных пунктов щелочные и угольно-цинковые батареи можно безопасно выбрасывать вместе с бытовыми отходами. Рекомендация Агентства по охране окружающей среды: отправьте использованные щелочные и угольно-цинковые батареи на переработку батарей или обратитесь в местный или государственный орган по твердым отходам. Кнопка-кнопка или монета Батарейки типа «таблетка» или «таблетка» могут представлять потенциальную опасность при проглатывании; храните их в недоступном для маленьких детей месте. Требования к управлению основаны на химическом составе батареи. Их можно сдать специализированным предприятиям по переработке аккумуляторов, участвующим в программе розничным торговцам, предоставляющим услуги по приему аккумуляторов, или местным программам сбора опасных бытовых отходов. Обратитесь к производителю или местному органу по обращению с твердыми отходами, чтобы узнать о дополнительных возможностях управления. Меры предосторожности при обращении: Поместите каждую батарею в отдельные пластиковые пакеты или наклейте непроводящую ленту (например, изоленту) на клеммы батареи или вокруг всей кнопки. Рекомендация Агентства по охране окружающей среды: проверьте наличие слова «литий» на аккумуляторе. Не выбрасывайте кнопочные, монетные или одноразовые литиевые батарейки в мусорные или муниципальные мусорные баки. Найдите пункт утилизации рядом с вами: Литиевый одноразовый Никель-кадмий (Ni-Cd) Съемные батареи: Съемные перезаряжаемые батареи можно сдать в специализированные пункты по переработке батарей, участвующим в программе розничным продавцам, которые предоставляют услуги по приему батарей, или в местные программы сбора опасных бытовых отходов. Обратитесь к производителю или в местный орган по управлению бытовыми отходами, чтобы узнать о других вариантах утилизации. Несъемные батареи, содержащиеся в электронных устройствах: Целые устройства могут быть доставлены сертифицированным переработчикам электроники, участвующим розничным продавцам, которые предоставляют услуги по приему электроники, или местным программам сбора электронных или бытовых опасных отходов. Меры предосторожности при обращении: Поместите каждую батарею в отдельный пластиковый пакет или наклейте непроводящую ленту (например, изоленту) на клеммы батареи. Обращайтесь с любой поврежденной батареей с осторожностью и используйте соответствующие средства индивидуальной защиты.Если литий-ионный аккумулятор поврежден, обратитесь к производителю аккумулятора или устройства за информацией по обращению с ним. Рекомендация Агентства по охране окружающей среды: ищите этикетки с указанием химического состава батареи. Не выбрасывайте перезаряжаемые батареи в мусорные или муниципальные мусорные баки. Найдите ближайший к вам пункт утилизации:Следующие ссылки ведут с сайта Литий-ионный (Li-ion) Никель-металлогидрид (Ni-MH) Никель-цинк (Ni-Zn) Малогабаритные свинцово-кислотные (Pb) В настоящее время в транспортных средствах используется несколько типов и областей применения аккумуляторов. Верните аккумулятор продавцу или в местную программу сбора твердых или бытовых опасных отходов. Меры предосторожности при обращении: Содержит серную кислоту и свинец. При обращении с аккумулятором следуйте всем предупреждениям и инструкциям на аккумуляторе. Рекомендация Агентства по охране окружающей среды: возвращайте свинцово-кислотные аккумуляторы продавцу аккумуляторов или в местную программу сбора опасных бытовых отходов; не выбрасывайте свинцово-кислотные аккумуляторы в мусорные или муниципальные мусорные баки. Из-за размера и сложности этих аккумуляторных систем потребитель не сможет удалить средние и крупные литий-ионные аккумуляторы. Обратитесь к инструкциям производителя и обратите внимание на предупреждения и инструкции по технике безопасности. Рекомендация Агентства по охране окружающей среды: обратитесь к производителю, автомобильному дилеру или в компанию, установившую литий-ионный аккумулятор, чтобы узнать о вариантах управления; не выбрасывайте в мусорное ведро или муниципальные мусорные баки. В некоторых штатах приняты законы об утилизации аккумуляторов для различных типов бытовых аккумуляторов. К концу этого раздела вы сможете: Батарея представляет собой гальванический элемент или ряд элементов, которые производят электрический ток.В принципе, любой гальванический элемент можно использовать в качестве батареи. Идеальная батарея никогда не разряжается, обеспечивает неизменное напряжение и способна выдерживать экстремальные температуры и влажность окружающей среды. Реальные батареи обеспечивают баланс между идеальными характеристиками и практическими ограничениями. Например, масса автомобильного аккумулятора составляет около 18 кг или около 1% от массы среднего легкового автомобиля или малотоннажного грузовика. Посетите этот сайт, чтобы узнать больше о батареях. Первичные батареи являются одноразовыми батареями, поскольку их нельзя перезаряжать. Обычной основной батареей является сухой элемент (рис. 1).{-}[/latex] с общим потенциалом элемента, который изначально составляет около 1,5 В, но снижается по мере использования батареи. Важно помнить, что напряжение, выдаваемое батареей, одинаково независимо от размера батареи. По этой причине батареи D, C, A, AA и AAA имеют одинаковое номинальное напряжение. Посетите этот сайт, чтобы узнать больше о угольно-цинковых батареях. Щелочные батареи (рис. 2) были разработаны в 1950-х годах частично для решения некоторых проблем с производительностью угольно-цинковых сухих элементов. Они производятся для точной замены угольно-цинковых сухих элементов. Как следует из названия, в этих типах батарей используются щелочные электролиты, часто гидроксид калия.{\circ} = +1,43\;\text{V} \end{массив}[/latex] Щелочная батарея может вырабатывать примерно в три-пять раз больше энергии, чем углеродно-цинковая сухая батарея аналогичного размера. Посетите этот сайт, чтобы узнать больше о щелочных батареях. Вторичные батареи перезаряжаемые. Это типы батарей, которые можно найти в таких устройствах, как смартфоны, электронные планшеты и автомобили. Никель-кадмиевые или NiCd батареи (рис. 3) состоят из никелированного катода, кадмиевого анода и электрода из гидроксида калия.{-}(водн.) \\[0.5em] \hline \\[-0.25em] \text{общий:} & \text{Cd}(s)\;+\;\text{NiO}_2(s) \;+\;2\text{H}_2\text{O}(l) & \text{Cd(OH)}_2(s)\;+\;\text{Ni(OH)}_2(s) \end{массив}[/латекс] Напряжение составляет от 1,2 В до 1,25 В при разрядке аккумулятора.
(Изображение предоставлено Эмилианом Робертом Виколом из Wikimedia Commons) Сухая камера
(Изображение предоставлено PhFabre из Викисклада) <-
(Изображение предоставлено Aney~commonswiki из Викисклада) <- Аккумуляторы 20-го века
В конце 1990-х годов для литий-ионных аккумуляторов был создан мягкий гибкий корпус, что привело к появлению «литий-полимерных» или «LiPo» аккумуляторов. Компоненты
Аккумуляторы
Лучшее поперечное сечение щелочной ячейки можно найти в Википедии. Анод
Катод
Единственный способ для электронов добраться до катода — через цепь, внешнюю по отношению к батарее. Электролит
(Изображение предоставлено Вильямом Дэвисом из Викисклада) <- Сепаратор
Сепараторы могут быть изготовлены из различных материалов, включая хлопок, нейлон, полиэстер, картон и синтетические полимерные пленки. Сепараторы химически не реагируют ни с анодом, ни с катодом, ни с электролитом. Корпус
В некоторых батареях используется проводящий стальной корпус, электрически соединенный с одним из электродов. В случае обычного щелочного элемента АА стальной корпус соединен с катодом. Операция
Окислительно-восстановительные реакции происходят, когда электроны переносятся между химическими веществами. Мы можем использовать движение электронов в этой реакции, чтобы течь за пределы батареи, чтобы питать нашу цепь. Окисление анода
Катодное восстановление
В других случаях, например, в щелочных батареях, при восстановлении образуются отрицательно заряженные ионы. Электронный поток
На моушн-графике в начале этого раздела мы зажигаем виртуальную лампочку нашими движущимися электронами. Разряженная батарея
Терминология
Сотовый
Аккумулятор может состоять из одной или нескольких ячеек.Например, одна батарея типа АА представляет собой одну ячейку. Автомобильные аккумуляторы содержат шесть ячеек по 2,1 В каждая. Первичный
Среднее
Номинальное напряжение
В этом примере номинальное напряжение «1,5 В» относится к максимальному или начальному напряжению батареи. Емкость
Чтобы выяснить, достаточно ли емкости аккумулятора для питания вашей схемы, найдите минимальное допустимое напряжение и найдите соответствующее значение в мАч или Ач. C-рейтинг
Использование
Одноэлементный
Серия
Параллельный
и параллельная
Ресурсы и дальнейшее продвижение
Батареи — это один из способов обеспечения электроэнергией вашего проекта, и они могут быть невероятно полезны, если вам нужен портативный источник питания. Беспроводная связь Саймона Сплозиона
DOE Объясняет…Батареи | Департамент энергетики
Бензин накапливает химическую потенциальную энергию до тех пор, пока она не преобразуется в механическую энергию в двигателе автомобиля. Точно так же, чтобы батареи работали, электричество должно быть преобразовано в форму химического потенциала, прежде чем его можно будет легко хранить.Батареи состоят из двух электрических выводов, называемых катодом и анодом, разделенных химическим материалом, называемым электролитом. Для приема и высвобождения энергии батарея подключается к внешней цепи. Электроны движутся по цепи, в то время как ионы (атомы или молекулы с электрическим зарядом) движутся по электролиту. В перезаряжаемой батарее электроны и ионы могут двигаться в любом направлении по цепи и электролиту. Когда электроны движутся от катода к аноду, они увеличивают химическую потенциальную энергию, тем самым заряжая батарею; когда они движутся в другом направлении, они преобразуют эту химическую потенциальную энергию в электричество в цепи и разряжают батарею.Во время зарядки или разрядки противоположно заряженные ионы перемещаются внутри батареи через электролит, чтобы сбалансировать заряд электронов, движущихся по внешней цепи, и создать устойчивую перезаряжаемую систему. После зарядки батарею можно отключить от цепи, чтобы сохранить химическую потенциальную энергию для последующего использования в качестве электричества. Управление науки и хранения электроэнергии Министерства энергетики США
Но мы все еще далеки от комплексных решений для хранения энергии следующего поколения с использованием совершенно новых материалов, которые могут значительно увеличить количество энергии, которое может хранить батарея. Это хранилище имеет решающее значение для интеграции возобновляемых источников энергии в наше электроснабжение. Поскольку совершенствование аккумуляторных технологий необходимо для широкого использования подключаемых к сети электромобилей, хранение также является ключом к снижению нашей зависимости от нефти в качестве транспорта.
По мере того, как ученые, поддерживаемые программой BES, добиваются новых успехов в науке об аккумуляторах, эти достижения используются прикладными исследователями и промышленностью для улучшения приложений в области транспорта, электросетей, связи и безопасности. Факты о хранении электроэнергии
Ресурсы и соответствующие термины
как мир будет производить достаточно?
В ближайшие десятилетия на дороги выйдут сотни миллионов автомобилей с массивными батареями внутри (см. «Электродвигатели»). И каждая из этих батарей будет содержать десятки килограммов материалов, которые еще предстоит добыть. Национальные спонсоры исследований также основали центры для изучения лучших способов производства и переработки батарей. Поскольку в большинстве случаев добывать металлы по-прежнему дешевле, чем перерабатывать их, ключевая цель состоит в том, чтобы разработать процессы для достаточно дешевого извлечения ценных металлов, чтобы конкурировать с только что добытыми. «Больше всего говорят деньги», — говорит Джеффри Спангенбергер, инженер-химик из Аргоннской национальной лаборатории в Лемонте, штат Иллинойс, который руководит инициативой ReCell по переработке литий-ионных аккумуляторов, финансируемой из федерального бюджета США.
кобальт, по данным Аргоннской национальной лаборатории.
Они разделены еще одним слоем, электролитом. Катоды являются основным фактором, ограничивающим производительность батареи, и именно в них находятся самые ценные металлы.
Согласно июньскому отчету BNEF 2 , текущие запасы металла — 21 миллион тонн, по данным Геологической службы США, — достаточны для перехода на электромобили до середины века. А запасы — это гибкое понятие, потому что они представляют собой количество ресурса, которое может быть извлечено с экономической точки зрения при текущих ценах и с учетом современных технологий и нормативных требований.Для большинства материалов, если спрос растет, в конечном итоге растут и запасы.
Можно использовать альтернативные источники, такие как богатые металлом «конкреции», обнаруженные на морском дне, но они представляют собственную опасность для окружающей среды. И никель, еще один важный компонент аккумуляторов электромобилей, также может столкнуться с нехваткой 3 .
«Материал без кобальта, о котором мы сообщали, имеет ту же кристаллическую структуру, что и оксид лития-кобальта, и, следовательно, такую же плотность энергии», — говорит Мантирам.Его команда сделала это, уточнив способ производства катодов и добавив небольшое количество других металлов, сохранив при этом кристаллическую структуру оксида кобальта катода. Мантирам говорит, что внедрить этот процесс на существующих фабриках должно быть просто, и он основал новую фирму под названием TexPower, чтобы попытаться вывести его на рынок в течение следующих двух лет. Другие лаборатории по всему миру работают над батареями, не содержащими кобальт: в частности, новаторский производитель электромобилей Tesla из Пало-Альто, Калифорния, заявил, что планирует исключить металл из своих батарей в ближайшие несколько лет.
Но сейчас многие исследователи считают проблему кобальта по существу решенной. Мантирам и Сан «показали, что можно делать действительно хорошие материалы без кобальта и [которые] работают очень хорошо», — говорит Джефф Дан, химик из Университета Далхаузи в Галифаксе, Канада.
Они получили свое название из-за своей кубической кристаллической структуры, похожей на структуру хлорида натрия, где кислород играет роль хлора, а смесь тяжелых металлов заменяет натрий. За последнее десятилетие команда Седера и другие группы показали, что некоторые каменные соли, богатые литием, позволяют литию легко входить и выходить — важнейшее свойство, позволяющее многократно заряжать 5 .Но, в отличие от обычных катодных материалов, неупорядоченные каменные соли не требуют кобальта или никеля, чтобы оставаться стабильными во время этого процесса. В частности, они могут быть сделаны из марганца, который дешев и доступен в изобилии, говорит Седер.
Это эквивалентно тому, что было бы использовано в более чем 200 000 автомобилей, и фирма способна восстановить большую часть лития, кобальта и никеля. Правительственная политика способствует этому: в Китае уже есть финансовые и нормативные стимулы для производителей аккумуляторов, которые получают материалы от фирм по переработке, а не импортируют только что добытые, говорит Ханс Эрик Мелин, управляющий директор консалтинговой компании Circular Energy Storage в Лондоне.
.Некоторые начинающие фирмы в Северной Америке заявляют, что они уже могут извлекать большую часть металлов из аккумуляторов, включая литий, по затратам, конкурентоспособным по сравнению с затратами на их добычу, хотя аналитики говорят, что на данном этапе общая экономическая выгода выгодна только из-за кобальт.
Одним из важнейших шагов после измельчения батарей является отделение катодных материалов от остальных с использованием тепла, химических веществ или других методов. «Причина, по которой мы с таким энтузиазмом относимся к сохранению кристаллической структуры, заключается в том, что для ее объединения потребовалось много энергии и ноу-хау.Именно в этом заключается большая ценность», — говорит Линда Гейнс, физический химик из Аргонна и главный аналитик ReCell.
По этой и другим причинам для батарей будет крайне важно иметь какой-то стандартизированный штрих-код, который сообщает переработчикам, что внутри, говорит Спангенбергер.
Он и его сотрудники разработали метод разделения катодных материалов с помощью ультразвука 7 . Это лучше всего работает в аккумуляторных батареях, которые упакованы плоско, а не свернуты (как обычные «цилиндрические» элементы), и, добавляет Эбботт, переработанные материалы могут быть намного дешевле, чем первично добытые металлы. Он участвует в правительственной исследовательской программе Великобритании ReLiB стоимостью 14 миллионов фунтов стерлингов (19 миллионов долларов США) по устойчивости батарей.
По словам Мелина, в типичном электромобиле, продаваемом сегодня, аккумуляторная батарея переживет автомобиль, в который она была встроена.
. Что такое батареи и как они работают?
Точно так же, чтобы батареи работали, электричество должно быть преобразовано в форму химического потенциала, прежде чем его можно будет легко хранить.
После зарядки батарею можно отключить от цепи, чтобы сохранить химическую потенциальную энергию для последующего использования в качестве электричества. Факты о хранении электроэнергии
Департамент науки и хранения электроэнергии Министерства энергетики США
Бывшие в употреблении бытовые аккумуляторы | Агентство по охране окружающей среды США
Фон
Следовательно, необходимо приложить все усилия для переработки и восстановления этих материалов, чтобы обеспечить их доступность для будущих поколений. Батарейки одноразового использования
Тип Использование и описание Утилизация 
Эти батареи обычно используются в таких продуктах, как часы, слуховые аппараты, автомобильные пульты дистанционного управления без ключа, медицинские приборы и калькуляторы.
Литиевая батарея может искрить и вызвать пожар, если она повреждена или ее концы соприкасаются. Если батарея повреждена, обратитесь к производителю за информацией по обращению с ней.
Аккумуляторы
Тип Использование и описание Утилизация 
Автомобильные аккумуляторы
Существуют автомобильные пусковые батареи, используемые с двигателями внутреннего сгорания, большие аккумуляторные батареи для электромобилей, которые питают автомобиль, и небольшие батареи, которые питают такие аксессуары, как удаленные дверные замки или резервное копирование памяти компьютера. Тип Применение и описание Утилизация Свинцово-кислотный 
Литий-ионные аккумуляторы среднего и крупного масштаба 
Федеральные законы о батареях
Законы штата об утилизации аккумуляторов
Чтобы увидеть карту законов штата о батареях, перейдите на веб-сайт Call2Recycle. 17.5 Батареи и топливные элементы – Химия
Цели обучения
Батарея такого типа будет давать почти неограниченную энергию при использовании в смартфоне, но будет отклонена для этого приложения из-за ее массы.Таким образом, ни одна батарея не является «лучшей», и батареи выбираются для конкретного применения с учетом таких факторов, как масса батареи, ее стоимость, надежность и емкость по току. Существует два основных типа аккумуляторов: первичные и вторичные. Ниже описаны несколько батарей каждого типа.
Однако большие батареи могут доставлять больше молей электронов. Поскольку цинковый контейнер окисляется, его содержимое в конечном итоге вытекает, поэтому аккумуляторы этого типа не следует оставлять в электрических устройствах на длительное время.
Щелочные батареи склонны к утечке гидроксида калия, поэтому их также следует удалять из устройств для длительного хранения. Хотя некоторые щелочные батареи перезаряжаемы, большинство из них перезаряжаемы. Попытки перезарядить щелочную батарею, которая не подлежит перезарядке, часто приводят к разрыву батареи и утечке электролита гидроксида калия.
При правильном обращении никель-кадмиевую батарею можно перезарядить около 1000 раз. Кадмий является токсичным тяжелым металлом, поэтому никель-кадмиевые аккумуляторы нельзя открывать или выбрасывать в обычный мусор.
С коэффициентами, представляющими моли, x составляет не более 0,5 молей. Напряжение батареи составляет около 3,7 В. Литиевые батареи популярны, потому что они могут обеспечивать большой ток, они легче, чем сопоставимые батареи других типов, создают почти постоянное напряжение при разрядке и лишь медленно теряют заряд при хранении.
Рисунок 4.
{- } \\[0.{-} & \text{PbSO}_4(s)\;+\;2\text{H}_2\text{O}(l) \\[0,5em] \hline \\[-0,25em] \text {всего:} & \text{Pb}(s)\;+\;\text{PbO}_2(s)\;+\;2\text{H}_2\text{SO}_4(aq) & 2 \text{PbSO}_4(s)\;+\;2\text{H}_2\text{O}(l) \end{массив}[/latex]Каждая ячейка производит 2 В, поэтому шесть ячеек соединены последовательно, чтобы получить автомобильный аккумулятор на 12 В. Свинцово-кислотные батареи тяжелые и содержат едкий жидкий электролит, но часто по-прежнему являются предпочтительными батареями из-за их высокой плотности тока. Поскольку эти батареи содержат значительное количество свинца, их всегда необходимо утилизировать надлежащим образом.
Рисунок 5. Свинцово-кислотный аккумулятор в вашем автомобиле состоит из шести элементов, соединенных последовательно и обеспечивающих напряжение 12 В. Низкая стоимость и высокий выходной ток делают эти аккумуляторы отличными кандидатами для питания автомобильных стартеров. Посетите этот сайт для получения дополнительной информации о свинцово-кислотных батареях.
{-} \\[0.{2-} \\[0.5em] \hline \\[-0.25em] \text{всего:} & 2\text{H}_2\;+\;\text{O}_2 & 2\text{H }_2\text{O} \end{массив}[/latex]
Напряжение составляет около 0,9 В. КПД топливных элементов обычно составляет от 40% до 60%, что выше, чем у типичного двигателя внутреннего сгорания (от 25% до 35%), и, в случае водородного топливного элемента, дает только вода в качестве выхлопа. В настоящее время топливные элементы довольно дороги и имеют особенности, которые приводят к их выходу из строя через относительно короткое время.
Перейдите по этой ссылке, чтобы узнать больше о топливных элементах.
Батареи — это гальванические элементы или набор элементов, которые производят электрический ток. Когда элементы объединены в батареи, потенциал батареи является целым числом, кратным потенциалу отдельной ячейки. Существует два основных типа аккумуляторов: первичные и вторичные. Первичные батареи являются «одноразовыми» и не подлежат перезарядке. Сухие элементы и (большинство) щелочных батарей являются примерами первичных батарей.
Второй тип является перезаряжаемым и называется вторичной батареей. Примеры вторичных батарей включают никель-кадмиевые (NiCd), свинцово-кислотные и ионно-литиевые батареи.Топливные элементы аналогичны батареям в том, что они генерируют электрический ток, но требуют постоянного добавления топлива и окислителя. Водородный топливный элемент использует водород и кислород из воздуха для производства воды и, как правило, более эффективен, чем двигатели внутреннего сгорания.
Химия Упражнения в конце главы
- Каковы желательные качества электрической батареи?
- Перечислите некоторые аспекты, которые обычно учитываются при выборе батареи для нового приложения.
- Рассмотрим батарею, состоящую из одного полуэлемента, состоящего из медного электрода в растворе 1 M CuSO 4 , и другого полуэлемента, состоящего из свинцового электрода в 1 M Pb(NO 3 ) 2 раствор.
а) Каковы реакции на аноде, катоде и общая реакция?
(б) Каков стандартный потенциал ячейки для батареи?
(c) Большинство устройств, предназначенных для использования сухих батарей, могут работать в диапазоне от 1.
{\circ} = -0.{\circ} = +0,53\;\text{V} \end{массив}[/latex]Подойдет ли этот аккумулятор для смартфонов? Почему или почему нет?
- Почему аккумуляторы разряжаются, а топливные элементы нет?
- Объясните, что происходит с напряжением батареи при ее использовании, используя уравнение Нернста.
- Используя информацию из этой главы, объясните, почему электроника с батарейным питанием плохо работает при низких температурах.
{\circ} = -0.{\circ} = +0,53\;\text{V} \end{массив}[/latex]Глоссарий
- щелочная батарея первичная батарея
- , в которой используется щелочной (часто гидроксид калия) электролит; разработан, чтобы быть точной заменой сухого элемента, но с большим запасом энергии и меньшей утечкой электролита, чем типичный сухой элемент
- аккумулятор
- гальванический элемент или ряд элементов, вырабатывающих ток; по идее любой гальванический элемент
- сухая камера первичная батарея
- , также называемая угольно-цинковой батареей; может использоваться в любой ориентации, поскольку в качестве электролита используется паста; имеет тенденцию вытекать электролит при хранении
- топливный элемент
- устройств, производящих электрический ток, пока горючее и окислитель непрерывно добавляются; эффективнее двигателей внутреннего сгорания
- свинцово-кислотная батарея аккумуляторная батарея
- , состоящая из нескольких элементов; свинцово-кислотный аккумулятор, используемый в автомобилях, имеет шесть элементов и напряжение 12 В
- литий-ионный аккумулятор
- очень популярная вторичная батарея; использует ионы лития для проведения тока, легкий, перезаряжаемый и создает почти постоянный потенциал при разрядке
- никель-кадмиевая батарея
- (никель-кадмиевая батарея) вторичная батарея, в которой используется кадмий, являющийся токсичным тяжелым металлом; тяжелее литий-ионных аккумуляторов, но с аналогичными характеристиками
- основная батарея
- одноразовая неперезаряжаемая батарея
- аккумуляторная батарея
- аккумулятор, который можно перезаряжать
Решения
Ответы на упражнения по химии в конце главы
2.
{\circ} = 0.{\circ} = 0,7996\;\text{V} \end{массив}[/latex]; (б) 3,5 × 10 15 ; (в) 5.6 × 10 −9 М
6. Батареи являются автономными и имеют ограниченный запас реагентов, которые необходимо израсходовать, прежде чем они разрядятся. В качестве альтернативы побочные продукты реакции батареи накапливаются и мешают реакции. Поскольку топливный элемент постоянно пополняется реагентами, а продукты выбрасываются, он может продолжать функционировать до тех пор, пока подаются реагенты.
8. E ячейка , как описано в уравнении Нернста, имеет член, который прямо пропорционален температуре.При низких температурах этот срок уменьшается, что приводит к более низкому напряжению ячейки, подаваемому батареей к устройству, — тот же эффект, что и при разряженной батарее.
.