Перспективы использования литиевых аккумуляторов в хранении энергии
- Особенности Li-ion аккумуляторов
- Преимущества
- Недостатки и их устранение
- Использование LFP батарей для хранения энергии
- Применение литий-титанатных АКБ
- Перспективы литиевых аккумуляторов
Литиевые аккумуляторы нашли применение в разных сферах – от питания портативной электроники и электромоторов разнообразной техники до накопления и хранения энергии в автономных энергосистемах. Они эффективно работают и в циклическом, и в буферном режиме. Литиевые батареи отлично подходят для оснащения солнечных электростанций, источников бесперебойного питания, систем резервного и автономного электроснабжения.
Например, такие АКБ могут накапливать и сохранять электроэнергию, генерируемую солнечными панелями или ветрогенераторами и со временем, когда возникнет необходимость, предоставлять ее пользователям. Или просто заряжаться от бытовой электросети, а при перебоях с электроснабжением – предоставлять аккумулированную энергию для работы систем освещения, бытовой техники и других устройств.
Особенности Li-ion аккумуляторов
Для получения литий-ионного аккумулятора берут 2 листа фольги и наносят на них электродные материалы: на фольгу из меди – материал катода, на фольгу из алюминия – материал анода. От того, какие материалы используются, зависят характеристики элементов питания. Обычно в качестве анода берут графит, а в роли катода – литий-кобальт-оксид (LiCoO2), линий-марганец-оксид (LiMn2O4), литий-железо-фосфат (LiFePO4) или другие соединения.
При зарядке аккумуляторов Li-ion типа ионы лития переходят от анода к катоду, и при разрядке – в обратном направлении. Между поверхностями электродов находится разделитель – пористый сепаратор с пропиткой из электролита. Он не допускает соприкосновения электродов и произвольного перемещения ионов лития. В зависимости от способа сворачивания слоистой заготовки, химические источники тока приобретают форму цилиндра или призмы.
Номинальное напряжение большинства Li-ion аккумуляторов составляет 3,6 или 3,7 В, но у ячеек с типом химии LiFePO4 вольтаж меньше – 3,2 или 3,3 В, а у литий-титанатных моделей – 2,4 В. Для получения накопителя заданного вольтажа ячейки соединяют последовательно. При этом их напряжение суммируется. Емкость литий-ионных элементов зависит от используемого типа химии и размеров ячеек. Для суммирования емкости их соединяют параллельно.
Преимущества
По сравнению с другими типами аккумуляторных батарей для хранения электроэнергии, литиевые АКБ имеют весомые преимущества. Прежде всего, это:
- большая удельная емкость – высокая плотность энергии, примерно в 2–4 раза больше, чем у свинцово-кислотных и других батарей предыдущих поколений;
- отличные способности к накоплению и сохранению электроэнергии;
- использование более экологичных материалов при производстве – в составе нет свинца, кадмия и других тяжелых металлов;
- неприхотливость в обслуживании – при использовании таких АКБ не приходится измерять уровень электролита и доливать дистиллированную воду;
- простота зарядки – заряжать их можно в любом помещении с плюсовой температурой, а не только в специальной зарядной комнате с интенсивной вентиляцией;
- отсутствие эффекта памяти, возможность частичной и дробной подзарядки без вреда для рабочих параметров и срока службы;
- малый саморазряд.
Недостатки и их устранение
К минусам Li-ion батарей относят их цену, риск возгорания при разгерметизации или перегреве, естественное старение (постепенное снижение характеристик с течением времени), экологические проблемы при добыче лития и сложности с утилизацией старых АКБ. Но цена литиевых батарей компенсируется их преимуществами и постепенно снижается, для безопасного использования каждая АКБ оснащается BMS платой защиты и мониторинга параметров, а грамотная переработка старых элементов питания способствует сохранению экологии.
К тому же, среди множества подвидов Li-ion элементов питания есть модели с особыми типами химии: не склонные к возгоранию, максимально безопасные в использовании, имеющие стабильную структуру и устойчивые к химической деградации. Например, уже сейчас в качестве стабильных и долговечных накопителей энергии применяются литий-железо-фосфатные (LiFePO4, LFP) и литий-титанатные (LTO) батареи.
Использование LFP батарей для хранения энергии
Литий-железо-фосфатные АКБ активно используются в роли буферных накопителей энергии. В частности, они востребованы в системах автономного электроснабжения, использующих солнечные модули и ветрогенераторы. Важными преимуществами батарей подвида LiFePO4 являются:
- стабильное сохранение химической структуры и технических характеристик;
- срок хранения до 15 лет, в то время как большинство литий-ионных АКБ подвержено естественному старению и больше подходит для интенсивного использования в циклическом режиме;
- незначительный саморазряд – 3–5% в месяц;
- пожаробезопасность;
- стабильное напряжение разряда 3,2 В;
- увеличенные значения допустимых токовых нагрузок.
По удельной плотности энергии LFP батареи уступают «обычным» Li-ion аналогам, но всего на 14%.
Применение литий-титанатных АКБ
При производстве этого подвида Li-ion батарей вместо графита в роли анода используется соединение Li4Ti5O12, а нанокристаллическое строение анода увеличивает площадь его поверхности в 33 раза. Это обеспечивает существенное возрастание скорости зарядки и высокую плотность тока. К тому же, LTO батареи очень надежны, долговечны, имеют малый саморазряд (0,02% в сутки) и большой КПД сохранения энергии (96%).
По рабочему напряжению и удельной энергоемкости литий-титанатные элементы уступают остальным видам Li-ion аккумуляторов. Поэтому при идентичных значениях емкости и напряжения литий-титанатная АКБ будет более крупной и тяжелой, чем литиевые батареи других подвидов.
По этой причине их проблематично использовать в портативной электронике, средствах индивидуальной мобильности, легком электротранспорте и в других ситуациях, когда масса и размеры источников питания играют важную роль. Зато LTO батареи отлично подходят для использования в альтернативной энергетике – в качестве накопителей и хранителей вырабатываемой электроэнергии.
Перспективы литиевых аккумуляторов
Перспективы развития и дальнейшего использования Li-ion батарей для хранения электроэнергии связаны увеличением производительности и долговечности АКБ с сохранением достигнутых преимуществ. Сегодня лучшими накопителями электроэнергии для систем гарантированного и бесперебойного электроснабжения, в т. ч. для автономных и гибридных электростанций с альтернативными источниками энергии, остаются батареи подвидов LiFePO4 и LTO.
Но исследователи не останавливаются на достигнутом. Они совершенствуют используемые технологии и экспериментируют с новыми составами, улучшают технические характеристики Li-ion батарей и открывают многообещающие перспективы для их дальнейшего развития. Из года в год совершаются новые открытия, а инновационные решения превращаются в полезные разработки, доступные потребителям. Литий-ионные накопители энергии и сегодня радуют своей надежностью и эффективностью, а дальнейшее совершенствование технологий обеспечит им еще более широкое распространение.
Читайте в предыдущей статье блога VirtusTec.ru о том, какой аккумулятор лучше выбрать для эхолота.
