Как поднять плотность акб: Как поднять плотность в аккумуляторе

Содержание

Как правильно поднять плотность в АКБ на зимний период, чтобы не испортить его, рассказал мой друг аккумуляторщик • Krylovmedia.ru

Здравствуйте, дорогие друзья!

В интеренете много видио о том, как восстановить старый аккумулятор, чуть ли не до состояния нового. Как поднять плотность на зиму и так далее.

Самое интересное, что очень много видио могут не то чтобы помочь восстановить ваш АКБ, а наоборот «добить его».

К примеру, я смотрел материал, в котором человек предлагает восстанавливать АКБ, в котором произошла сульфатация пластин, с помощью соды.

Друзья. когда я показал это видио своему другу, аккумуляторщику с большим стажем, он посмеялся и сказал, что так делать ни в коем случае случае нельзя.

Так же, некоторые «ученые» советуют при низком уровне плотности электролита добавить этот самый электролит.

Так делать тоже нельзя, так как это впоследствии может привести к слишком высокому уровню плотности.

В АКБ добавляют электролит в том случае, если была утечка. Если жидкость выкипела со временем, добавляют дистиллированную воду. Так как электролит не выкипает, выкипает только вода.

Плотность падает, когда кислота преобразуется в сульфат и оседает на пластинах. У них уменьшает рабочая поверхность, поэтому АКБ перестает держать заряд и быстро разряжается.

Для того, чтобы восстановить АКБ, нужно провести обратный процесс. Для этого нужна только зарядка.

Очень хорошо работает импульсная зарядка (автоматическая). Но стоит помнить, что для иных АКБ требуется несколько дней заряда, чтобы восстановить плотность, которая в идеале должна быть 1.27 — 1.28. г.см3.

Если у вас обычное зарядное устройство, то чтобы вытянуть АКБ нужно устанавливать малый ток заряда и заряжать не менее 24 часов! А возможно, придется и 48 часов потратить.

Чтобы вы понимали, сейчас мы говорим про рабочие в целом аккумуляторы, которые нужно просто обслужить.

Если же АКБ совсем не держит заряд, к примеру вы зарядили его, а через несколько часов простоя, он снова разряжен (верный признак закоротивших банок или развалившихся пластин) то такой АКБ уже нормально работать не будет, чтобы вы не делали.

Если от времени рассыпались пластины, то никакая чистка и доливка электролита ему не поможет.

Признаком разваливающихся пластин является грязный электролит. Это сульфаты и частички пластин.

Примеси, которые находятся в электролите способствуют саморазряду АКБ.

Итак, вот вам простой и понятный вывод. Если у вас нет проблем на данный момент с АКБ, но вы желаете его обслужить перед зимой, нужно сделать следующие действия:

Как размер колес влияет на ваш автомобиль: стоит ли устанавливать колеса больше? Все плюсы и минусы!

По мере надобности долить дистиллированной воды. Поставить на зарядку, используя малый ток, не менее чем на 12 часов.

После установки АКБ на авто, следует замерить плотность электролита и нагрузочной вилкой, определить как АКБ держит нагрузку.

И обязательно, проверьте какой заряд выдает ваш генератор. Так как если заряд низкий или слишком высокий, это достаточно быстро выведет из строя ваш АКБ, особенно когда на улице холодно.

Если АКБ не принимает заряд, попробуйте использовать другое зарядное устройство!

У меня как раз сейчас есть АКБ, плотность которого 1.25 и слегка мутный электролит.

С наступлением холодов он начал плохо работать. Вот на нем я проведу эксперименты с очисткой пластин содой, с добавлением электролита и подробно вам все покажу в следующей статье!

Решил попробовать восстановить свой старый АКБ с помощью соды, результат меня удивил. Показываю и рассказываю, что произошло;
Показываю как полностью проверить АКБ на работоспособность и чем можно заменить нагрузочную вилку;
Три совета от перекупщика при выборе машины на вторичном рынке — это база!;

Ставьте палец вверх и подписывайтесь на канал!

Какая плотность электролита должна быть в аккумуляторе зимой и летом: как поднять плотность аккумулятора

Автор: Андрей Гагарин

Плотность электролита в аккумуляторе – это важная характеристика, которую автолюбители должны регулярно проверять. Необходимо знать, какой показатель считается нормальным, и как его измерить. Также нужно разобраться, как своими силами повлиять на плотность аккумулятора в емкостях, где присутствует раствор h3SO4.

Содержание:

Какая плотность должна быть в аккумуляторе
Таблица плотности электролита в АКБ
Плотность электролита в аккумуляторе зимой
Плотность электролита в летнее время
Как проверить плотность аккумулятора
Как поднять плотность электролита в аккумуляторе

Важно!Плотность электролита напрямую влияет на ёмкость батареи, а также на ее период эксплуатации.

Проверять данный показатель необходимо с помощью специального инструмента. Он называется денсиметр. Делать это следует при температурном показателе +25°С. Если температура будет другой, то показания понадобится подкорректировать.

Очевидно, что проверку необходимо выполнять регулярно. Другой вопрос: на какие цифры необходимо ориентироваться? Какой показатель можно считать хорошим, а какой – нет?

Какая плотность должна быть в аккумуляторе

Крайне важно для АКБ, чтобы поддерживалось определенное значение плотности электролита. Данный показатель может меняться, так как зависит от погоды в регионе, где находится автомобиль. По этой причине плотность определяется с учетом условий использования транспортного средства и существующих требований. Например, для основного климатического пояса показатель плотности обязан оставаться в диапазоне 1,25–1,27 г/см3. Допускается отклонение в большую или меньшую сторону на 0,01 г/см3. Если климатическая зона холодная, а с декабря по февраль на улице температура до -30°С, то показатель будет увеличен на 0,01 г/см3.

В субтропиках он будет на 0,01 г/см3 ниже. Плотность аккумулятора зимой, когда на улице до -50°С, будет отличаться. Нужно ориентироваться на то, что в норме показатель будет от 1,27 до 1,29 г/см3.

У автомобилистов может возникнуть еще один вопрос: какая плотность должна быть в аккумуляторе в разные времена года, будут ли показатели отличаться? Есть ли потребность целый год поддерживать значение на одинаковом уровне? Рекомендуется подробнее рассмотреть эту тему, сверившись с таблицей. Там значения имеют зависимость от погоды в определенном регионе.

Есть важный момент – чем более низкая плотность электролита в заряженном аккуме, тем более долгий срок он проработает.

Не следует забывать о том, что АКБ при регулярном использовании обычно заряжена на 80–90%, но не больше. Из-за этого плотность электролита обычно ниже, чем при 100% заряде. Следовательно, подходящее значение должно быть немного выше, чем прописано в таблице. В такой ситуации даже при падении температуры батарея не выйдет из строя. В холодное время года она не станет замерзать. Плотность аккумулятора летом отличается. Если она окажется выше положенного, то это приведет к закипанию. Подобное нельзя допускать, иначе возникнут поломки.

Если плотность электролита станет чрезмерно высокой, то это сократит период службы АКБ. При этом низкая плотность приведёт к тому, что напряжение снизится. В итоге затруднится запуск мотора.

Таблица плотности электролита в АКБ

При составлении таблицы плотности аккумулятора необходимо ориентироваться на средний температурный показатель в середине зимы. Если в области на термометре не бывает меньше -30°С, то не нужно снижать или увеличивать концентрацию кислоты. На протяжении года нет нужды менять плотность электролита, необходимо следить за данным показателем, чтобы не возникло отклонений от установленного значения.

Другое дело, если автомобиль эксплуатируется при сильном морозе. То есть температура может опускаться ниже -30°С. В данной ситуации разрешена коррекция значения.

Плотность электролита в аккумуляторе зимой

Отдельно необходимо разобраться, какая плотность аккумулятора должна быть зимой. В норме показатель будет равен 1,27. Если же на улице будет холоднее -35°С, то значение станет равным 1,28 г/см3. В той ситуации, когда наблюдаются отклонения в меньшую сторону, это спровоцирует ухудшение электродвижущей силы. Мотор будет хуже запускаться, а электролит начнёт покрываться льдом. Если плотность упадёт до 1,09 г/см3, то аккумулятор замёрзнет уже при -7°С.

Когда в морозные дни плотность оказывается ниже положенной, нет смысла сразу выполнять коррекцию с помощью специального раствора. Правильным решением будет качественно зарядить батарею.

Если человек в основном ездит из дома на работу и обратно, тратя на это около 30 минут, то это не поможет электролиту достаточно прогреться. Как итог, он не сможет полноценно зарядиться. АКБ способен принимать заряд только после того, как прогреется.

Из-за этого с каждым днем будет уменьшаться плотность.

Самостоятельно выполнять процедуры, связанные с электролитом, не рекомендуется. Нужно только корректировать показатель очищенной от солей и примесей водой. Для новых батарей считается нормальным интервал изменения плотности электролита в диапазоне 0,15–0,16 г/см3.

Необходимо запомнить, что запрещено пользоваться АКБ с низким уровнем заряда, когда на дворе температура ниже 0°С. Иначе электролит замерзнет, что приведет к порче пластин из свинца.

Ориентируясь на таблицу зависимости температурного показателя замерзания электролита от его плотности, удастся узнать, при каком значения на термометре в батарее начнёт образовываться лёд.

г/см3	1, 10	1, 11	1, 12	1, 13	1, 14	1, 15	1, 16	1, 17
Градусы Цельсия	-8	-9	-10	-12	-14	-16	-18	-20
г/см3	1, 19	1, 20	1, 21	1, 22	1, 23	1, 24	1, 25	1, 28
Градусы Цельсия	-25	-28	-34	-40	-45	-50	-54	-74

Выходит, что у заряженной на 100% батареи появление льда происходит при температуре ниже -70°С. Когда зарядка составляет 40%, то данный процесс начинается при -25°С. При заряде около 10% мотор в зимний день не запустится. Появление льда произойдет уже при значении -10°С.

Если человек не знает плотность электролита, то уровень зарядки можно узнать с помощью нагрузочной вилки. Важно убедиться, что разность напряжения в разных элементах одной батареи составляет не более 0,2 В.

В, показанные вольтметром нагрузочной вилки	Показатель разряженности АКБ в процентах
1,8–1,7	0
1,7–1,6	25
1,6–1,5	50
1,5–1,4	75
1,4–1,3	100

Если батарея разрядилась на 50% или больше в зимний период, ее потребуется подзарядить. Для лета показатель другой – он составляет 25%. Если же заряд будет выше этого значения, подзарядка не потребуется.

Плотность электролита в летнее время

Правильная плотность аккумулятора в жаркое время года другая. Батарея сталкивается с новой проблемой – обезвоживанием. Слишком высокая плотность оказывает негативное влияние на пластины из свинца. По этой причине она должна быть на 0,02 г/см3 меньше необходимого значения.

Летом температурный показатель под капотом обычно высокий. Из-за этого начинает испаряться вода, присутствующая в кислоте. Также начинают активно проходить электрохимические процессы в батарее. Из-за этого наблюдается высокая токоотдача, даже если плотность электролита находится на минимальном значении. Если уровень электролита снижается, то увеличивается его плотность. Это способствует быстрому возникновению коррозии, поражающей электроды. По этой причине необходимо следить за уровнем жидкости в батарее. Если он снижается, то потребуется долить дистиллированную воду. В ином случае возникнет перезаряд, а также сульфатация.

Бывают ситуации, что батарея оказывается разряженной из-за халатности владельца. В этой ситуации можно попытаться вернуть её в рабочее состояние. Потребуется воспользоваться зарядкой. Перед этим важно узнать уровень, а затем воспользоваться дистиллятом.

Спустя время плотность аккумулятора автомобиля станет меньше. Это связано с регулярным разбавлением дистиллятом. Когда значение становится ниже минимального, приходится увеличивать плотность электролита. Для начала необходимо узнать её значение.

Как проверить плотность аккумулятора

Чтобы АКБ правильно работала, необходимо проводить проверку плотности аккумулятора спустя каждые 15 000 км пробега. Для этого нужно пользоваться денсиметром. Это устройство включает в себя трубку из стекла, в которой расположен ареометр. На концах находится резиновый наконечник, а с другой стороны расположена груша. Благодаря плавающему ареометру удаётся узнать требуемые сведения.

Плотность необслуживаемого АКБ будет отображаться цветным индикатором. Он присутствует в отдельном окошке. Если загорится зеленый индикатор, значит, всё в порядке. Уровень заряда находится в диапазоне от 65 до 100%. Когда необходима подзарядка, индикатор становится чёрным. В окошке возникает красная или белая лампочка. Это говорит о том, что нужно незамедлительно долить дистиллированную воду.

Смотреть плотность электролита для проведения корректировки можно только у аккума, прошедшего зарядку. Потребуется уточнить уровень электролита. Далее – зарядить АКБ, оставить на 2 часа и проверить. Если посмотреть данные сразу после подзарядки, сведения получаются неправильными.

Плотность зависит от температурного показателя воздуха. Нужно выполнять забор жидкости из банки АКБ, а потом поставить прибор так, чтобы его было хорошо видно. Ареометр не нужно трогать, он обязан плавать в данной жидкости, но не притрагиваться к ёмкости. Замеры необходимо провести для отдельных отсеков, а полученные значения записать.

При определении заряженности батареи можно ориентироваться на плотность электролита.

Температурный показатель	Заряд
Температурный показатель	100%	70%	Разряженный
Более +25	1,21–1,23	1,17–1,19	1,05–1,07
Менее +25	1,27–1,29	1,23–1,25	1,11–1,13

Если в любой ячейке плотность значительно снижена, это указывает на дефекты. Когда она завышена, можно заподозрить кипение АКБ.

Можно с помощью мультиметра проверить плотность. Следует воспользоваться таблицей.

Уровень зарядки	Плотность электролита г/см3	Напряжение КБ В
100%	1, 28	12,7
80%	1,245	12,5
60%	1,21	12,3
40%	1,175	12,1
20%	1,14	11,9
0%	1,10	11,7

Как поднять плотность электролита в аккумуляторе

Повысить плотность электролита в аккумуляторе удастся с использованием корректирующего электролита или кислоты. Для выполнения этой задачи нужны ареометр, медицинская клизма, стакан с обозначением мл, очищенная вода, емкость для электролита, корректирующий электролит или кислота.

Порядок действий:

Из банки АКБ берут немного электролита.
Вместо него добавляют концентрированный состав или очищенную воду.
АКБ ставят подзарядиться, это занимает не больше получаса.
Затем отключают зарядку, ждут 1–2 часа.
Повторно проводят замер плотности электролита. Если показатель низкий, повторяют процедуру.

Чтобы добиться нужной плотности, можно ориентироваться на таблицу:

Подъём плотности в АКБ, если она ниже 1,18

В данной ситуации только электролитом не получится обойтись. Придётся приобрести кислоту (1,8 г/см3). Порядок действий был описан выше, но шаг разбавления будет меньше. Иначе будет риск не проскочить необходимую отметку.

Когда электролит окрашивается в темный цвет, это значит, он холода не переживёт. Приходится проводить полную замену аккумулятора. АКБ рассчитан примерно на 5 лет. Чтобы он дольше прослужил, нужно регулярно проверять плотность, не допускать низкой уровень зарядки и не откладывать обслуживание на потом.

Шесть новых способов повысить плотность энергии батареи – журнал pv International

Британские ученые разработали модель, объясняющую одну из проблем использования окислительно-восстановительной реакции в некоторых катодных материалах для литий-ионных батарей. Основываясь на своем улучшенном понимании реакции, они предлагают несколько возможных путей дальнейших исследований, чтобы избежать нежелательных реакций и разработать обратимые катодные материалы с высокой плотностью энергии.

8 марта 2021 г. Марк Хатчинс

Синкротрон с алмазным источником света в Великобритании, который помог ученым расшифровать кислородно-окислительно-восстановительный механизм, сдерживающий появление новых катодных материалов для литий-ионных аккумуляторов.

Изображение: Протез головы/Викимедиа

Катодные материалы с высоким содержанием лития вызывают интерес у ученых, работающих в области накопления энергии, с начала 2000-х годов. Было показано, что в этих материалах кислородно-окислительно-восстановительная реакция накапливает дополнительный заряд в оксидных ионах, а также в ионах переходных металлов, что потенциально повышает емкость материала.

Однако при включении в батарею такие катодные материалы претерпевают необратимые структурные изменения при первой зарядке, немедленно снижая их последующее напряжение. И механизмы, лежащие в основе этих структурных изменений, озадачили ученых и сдерживали дальнейшее развитие материалов. Имея это в виду, британский Институт Фарадея решил наблюдать за структурными изменениями этих катодов в действии.

«В постоянно усложняющемся стремлении добиться постепенного улучшения плотности энергии литий-ионных аккумуляторов, возможность использовать потенциал кислородно-окислительно-восстановительных катодов и более значительные улучшения, которые они предлагают, по сравнению с катодами с высоким содержанием никеля, используемыми сегодня в коммерческих целях, потенциально значительно», — сказал Питер Брюс, главный научный сотрудник Института Фарадея. «Более глубокое понимание фундаментальных механизмов окислительно-восстановительного потенциала кислорода является важным шагом в информировании о стратегиях смягчения текущих ограничений таких материалов, приближая их потенциальное коммерческое использование на шаг к реальности». 9Окисление кислорода весь процесс.

Как мы доберемся до следующего крупного прорыва в области батарей

Электрические самолеты могут стать будущим авиации. Теоретически они будут намного тише, дешевле и чище, чем современные самолеты. Электрические самолеты с дальностью полета 1000 км (620 миль) на одном заряде могут использоваться сегодня для половины всех рейсов коммерческих самолетов, что сократит глобальные выбросы углерода авиации примерно на 15%.

Та же история с электромобилями. Электромобиль — это не просто более чистая версия своего экологически чистого кузена. По сути, это лучший автомобиль: его электродвигатель малошумный и молниеносно реагирует на решения водителя. Зарядка электромобиля стоит намного меньше, чем оплата эквивалентного количества бензина. Электромобили могут быть построены с небольшим количеством движущихся частей, что делает их более дешевыми в обслуживании.

Так почему же электромобили еще не везде? Это связано с тем, что батареи дорогие, что делает первоначальную стоимость электромобиля намного выше, чем у аналогичной модели с бензиновым двигателем. И если вы не ездите много, экономия на бензине не всегда компенсирует более высокие первоначальные затраты. Короче говоря, электромобили по-прежнему неэкономичны.

Точно так же современные аккумуляторы не содержат достаточно энергии по весу или объему для питания пассажирских самолетов. Нам все еще нужны фундаментальные прорывы в технологии аккумуляторов, прежде чем это станет реальностью.

Портативные устройства с батарейным питанием изменили нашу жизнь. Но есть гораздо больше того, что батареи могут разрушить, если бы только можно было делать более безопасные, мощные и энергоемкие батареи дешевле. Ни один закон физики не исключает их существования.

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

Не существует универсальной литий-ионной батареи

У каждой батареи есть два электрода: катод и анод. Большинство анодов литий-ионных аккумуляторов изготовлены из графита, а вот катоды изготавливаются из различных материалов, в зависимости от того, для чего будет использоваться аккумулятор. Ниже вы можете увидеть, как разные катодные материалы меняют работу типов батарей по шести показателям.

Проблема с питанием

В просторечии люди используют термины «энергия» и «мощность» взаимозаменяемо, но важно различать их, когда речь идет о батареях. Мощность – это скорость, с которой может быть высвобождена энергия.

Батарея, достаточно мощная, чтобы запустить и поддерживать в воздухе коммерческий самолет на расстоянии 1000 км, требует, чтобы за очень короткое время высвобождалось много энергии, особенно во время взлета. Таким образом, речь идет не только о накоплении большого количества энергии, но и о способности очень быстро извлекать эту энергию.

Решение проблемы с электропитанием требует от нас заглянуть внутрь черного ящика коммерческих аккумуляторов. Это будет немного занудно, но потерпите меня. Новые аккумуляторные технологии часто преувеличивают, потому что большинство людей недостаточно внимательно изучают детали.

Самый передовой химический аккумулятор, который у нас есть в настоящее время, — это литий-ионный. Большинство экспертов сходятся во мнении, что никакая другая химия не сможет разрушить литий-ион, по крайней мере, в ближайшие десять или более лет. Литий-ионная батарея имеет два электрода (катод и анод) с сепаратором (материал, который проводит ионы, но не электроны, предназначенный для предотвращения короткого замыкания) посередине и электролит (обычно жидкий), чтобы обеспечить поток ионов лития обратно и вперед между электродами. Когда батарея заряжается, ионы перемещаются от катода к аноду; когда батарея питает что-то, ионы движутся в противоположном направлении.

Объявление

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

В разряженном состоянии, т. е. после того, как из него истощилась энергия, буханка NMC содержит ионы лития, зажатые между каждым ломтиком. Когда батарея заряжается, каждый ион лития извлекается между пластинами и вынужден проходить через жидкий электролит. Сепаратор действует как контрольная точка, гарантируя, что только ионы лития проходят через графитовую буханку. При полной зарядке в катодной части батареи не останется ионов лития; все они будут аккуратно зажаты между ломтиками графитовой буханки. По мере того, как энергия батареи расходуется, ионы лития возвращаются к катоду, пока в аноде их не останется. Вот когда аккумулятор нужно снова зарядить.

Емкость батареи определяется, в основном, тем, насколько быстро происходит этот процесс. Но не так-то просто увеличить скорость. Слишком быстрое вытягивание ионов лития из катодной буханки может привести к появлению дефектов на ломтиках и, в конечном итоге, к их разрушению. Это одна из причин, почему чем дольше мы пользуемся нашим смартфоном, ноутбуком или электромобилем, тем хуже становится время их автономной работы. Каждая зарядка и разрядка немного ослабляют буханку.

Различные компании работают над решением проблемы. Одна из идей состоит в том, чтобы заменить слоистые электроды чем-то конструктивно более прочным. Например, 100-летняя швейцарская компания по производству аккумуляторов Leclanché работает над технологией, в которой в качестве катода используется литий-железо-фосфат (LFP) со структурой «оливин» и оксид титаната лития (LTO), имеющий структура «шпинель» в качестве анода. Эти структуры лучше справляются с потоком ионов лития в материале и из него.

Leclanché в настоящее время использует свои аккумуляторные батареи в автономных складских погрузчиках, которые можно зарядить до 100% за девять минут. Для сравнения, лучший нагнетатель Tesla может зарядить автомобильный аккумулятор Tesla примерно до 50% за 10 минут. Leclanché также размещает свои батареи в Великобритании для быстрой зарядки электромобилей. Эти батареи сидят на зарядной станции, медленно потребляя небольшое количество энергии в течение длительного периода времени из сети, пока они не будут полностью заряжены. Затем, когда автомобиль пришвартовывается, аккумуляторы док-станции быстро заряжают автомобильный аккумулятор. Когда машина уезжает, аккумулятор станции снова начинает подзаряжаться.

Усилия, подобные усилиям Лекланше, показывают, что можно изменить химический состав батарей, чтобы увеличить их мощность. Тем не менее, никто еще не построил батарею, достаточно мощную, чтобы быстро доставлять энергию, необходимую коммерческому самолету для преодоления гравитации. Стартапы стремятся построить самолеты меньшего размера (вместимостью до 12 человек), которые могли бы летать на батареях с относительно меньшей плотностью мощности, или электрические гибридные самолеты, в которых реактивное топливо выполняет тяжелую работу, а батареи — движение по инерции.

Но на самом деле ни одна компания, работающая в этой области, не близка к коммерциализации. Кроме того, технологический скачок, необходимый для создания полностью электрического коммерческого самолета, вероятно, займет десятилетия, говорит Венкат Вишванатан, эксперт по батареям из Университета Карнеги-Меллона.

Двухместный электрический самолет словенской фирмы Pipistrel стоит возле ангара в аэропорту Осло, Норвегия. Изображение: Reuters/Alister Doyle начинается от 35 000 долларов. Он работает от батареи емкостью 50 кВтч, которая стоит примерно 8750 долларов, или 25% от общей стоимости автомобиля.

Это по-прежнему удивительно доступно по сравнению с тем, что было не так давно. По данным Bloomberg New Energy Finance, средняя мировая стоимость литий-ионных аккумуляторов в 2018 году составляла около 175 долларов за кВтч — по сравнению с почти 1200 долларами за кВтч в 2010 году9.0003

Министерство энергетики США подсчитало, что как только стоимость аккумуляторов упадет ниже 125 долларов за кВтч, владение электромобилем и его эксплуатация станут дешевле, чем автомобиль с бензиновым двигателем в большинстве частей мира. Это не означает, что электромобили победят бензиновые автомобили во всех нишах и областях — например, у магистральных грузовиков пока нет электрического решения. Но это переломный момент, когда люди начнут предпочитать электромобили просто потому, что в большинстве случаев они более экономичны.

Один из способов добиться этого — увеличить удельную энергию аккумуляторов — втиснуть в аккумулятор больше кВтч, не снижая его цены. Теоретически химик-аккумулятор может сделать это, увеличив плотность энергии либо катода, либо анода, либо того и другого.

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

Однако увеличение на 10 % — это не так уж и много в общей картине.
И, несмотря на то, что за последние несколько десятилетий благодаря ряду инноваций плотность энергии катодов стала еще выше, аноды — это то место, где кроются самые большие возможности плотности энергии.

Графит был и остается доминирующим анодным материалом. Это дешево, надежно и относительно энергоемко, особенно по сравнению с современными катодными материалами. Но он довольно слаб по сравнению с другими потенциальными материалами анода, такими как кремний и литий.

Кремний, например, теоретически намного лучше поглощает ионы лития в виде графита. Вот почему ряд компаний, производящих аккумуляторы, пытаются приправить немного кремния графитом в конструкции своих анодов; Генеральный директор Tesla Илон Маск заявил, что его компания уже делает это в своих литий-ионных батареях.

Более важным шагом будет разработка коммерчески жизнеспособного анода, полностью изготовленного из кремния. Но у элемента есть черты, которые затрудняют это. Когда графит поглощает ионы лития, его объем сильно не меняется. Однако кремниевый анод в том же сценарии увеличивается в четыре раза по сравнению с первоначальным объемом.

К сожалению, вы не можете просто сделать корпус больше, чтобы компенсировать это вздутие, потому что расширение разрушает так называемую «межфазу твердого электролита» или SEI кремниевого анода.

Вы можете думать о SEI как о своего рода защитном слое, который анод создает для себя, подобно тому, как железо образует ржавчину, также известную как оксид железа, чтобы защитить себя от элементов: когда вы оставляете кусок только что выкованого железа снаружи, он медленно вступает в реакцию с кислородом воздуха, вызывая ржавчину. Остальную часть железа под слоем ржавчины не постигла та же участь, и поэтому она сохранила структурную целостность.

В конце первой зарядки аккумулятора на электроде образуется собственный слой «ржавчины» — SEI, отделяющий неразъеденную часть электрода от электролита. SEI предотвращает дополнительные химические реакции от потребления электрода, обеспечивая максимально плавный поток ионов лития.

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

За последнее десятилетие несколько стартапов Силиконовой долины работали над решением этой проблемы. Например, подход Sila Nano заключается в заключении атомов кремния в наноразмерную оболочку с большим количеством пустого пространства внутри. Таким образом, СЭИ формируется снаружи оболочки, а внутри нее происходит расширение атомов кремния без разрушения СЭИ после каждого цикла заряда-разряда. Компания, стоимость которой оценивается в 350 миллионов долларов, заявляет, что ее технология будет использоваться для устройств уже в 2020 году.

0003

Enovix, с другой стороны, применяет специальную производственную технологию, чтобы подвергать анод из 100% кремния колоссальному физическому давлению, заставляя его поглощать меньше ионов лития и тем самым ограничивая расширение анода и предотвращая разрушение SEI. У компании есть инвестиции от Intel и Qualcomm, и к 2020 году она также планирует использовать свои батареи в устройствах.

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

В 2020 году новый Tesla Roadster станет первым электромобилем, способным проехать 1000 км (620 миль) без подзарядки. батареи могут идти в ущерб безопасности. С момента своего изобретения литий-ионный аккумулятор вызывает головную боль из-за того, как часто он загорается. Например, в 1990-х годах канадская компания Moli Energy выпустила на рынок литий-металлический аккумулятор для использования в телефонах. Но в реальном мире его батареи начали загораться, и Моли был вынужден отозвать свою продукцию и, в конце концов, объявить себя банкротом. (Некоторые из ее активов были куплены тайваньской компанией, и она до сих пор продает литий-ионные батареи под торговой маркой E-One Moli Energy. ) Совсем недавно смартфоны Samsung Galaxy Note 7, которые были сделаны с современными литий-ионными батареями, начали взрываться. в карманах людей. В результате отзыв продукции в 2016 году обошелся южнокорейскому гиганту в 5,3 миллиарда долларов.

Современные литий-ионные аккумуляторы по-прежнему сопряжены с неотъемлемыми рисками, поскольку в качестве электролита в них почти всегда используются легковоспламеняющиеся жидкости. Одна из неудачных (для нас, людей) причуд природы состоит в том, что жидкости, способные легко переносить ионы, имеют более низкий порог возгорания. Одним из решений является использование твердых электролитов. Но это означает другие компромиссы. Конструкция батареи может легко включать жидкий электролит, контактирующий с каждым элементом электродов, что позволяет эффективно передавать ионы. С твердыми гораздо сложнее. Представьте, что вы бросаете пару игральных костей в чашку с водой. Теперь представьте, что вы бросаете те же кости в чашку с песком. Очевидно, что вода будет касаться гораздо большей поверхности игральных костей, чем песок.

До сих пор коммерческое использование литий-ионных аккумуляторов с твердыми электролитами ограничивалось приложениями с низким энергопотреблением, например датчиками, подключенными к Интернету. Усилия по расширению твердотельных батарей, то есть не содержащих жидкого электролита, можно разделить на две категории: твердые полимеры при высоких температурах и керамика при комнатной температуре.

Твердые полимеры при высоких температурах

Полимеры представляют собой длинные цепочки молекул, соединенных вместе. Они чрезвычайно распространены в повседневном использовании — например, одноразовые пластиковые пакеты изготавливаются из полимеров. При нагревании некоторые типы полимеров ведут себя как жидкости, но без воспламеняемости жидких электролитов, используемых в большинстве аккумуляторов. Другими словами, они обладают высокой ионной проводимостью как жидкий электролит без рисков.

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

Керамика при комнатной температуре

За последнее десятилетие два класса керамики — LLZO (литий, лантан и оксид циркония) и LGPS (литий, германий, сульфид фосфора) — показали почти такую же хорошую проводимость ионов при комнатной температуре в виде жидкостей.

Toyota, а также стартап из Силиконовой долины QuantumScape (который привлек $100 млн финансирования от Volkswagen в прошлом году) работают над использованием керамики в литий-ионных батареях. Включение крупных игроков в пространство свидетельствует о том, что прорыв может быть ближе, чем многие думают.