Роль литиевых аккумуляторов в развитии электрической мобильности
- Устройство и особенности литиевых аккумуляторов
- Значение Li-ion технологии для электромобильности
- Преимущества литий-ионных АКБ
- Сложности использования Li-ion батарей в электротранспорте
- Инновации и перспективы в развитии литиевой технологии
Развитие литиевой технологии совершило революцию в энергетике и послужило мощным импульсом для распространения персонального электротранспорта. С появлением компактных и легких Li-ion аккумуляторов с высокой плотностью энергии открылись широкие перспективы для развития электромобильной индустрии и создания разнообразных средств передвижения на электротяге.
Уже 3 десятилетия литий-ионные АКБ используют для автономного питания персонального электротранспорта и средств индивидуальной мобильности, портативной электроники и складской техники, аккумуляторного оборудования и беспроводных инструментов. Именно Li-ion аккумуляторы перевернули представление о возможностях хранения энергии и открыли новую эру технического прогресса.
Устройство и особенности литиевых аккумуляторов
При производстве элементов питания Li-ion типа медную фольгу покрывают слоем катодного материала, а алюминиевую – анодным материалом. В качестве катода часто используют такие химические соединения как LiMn2O4 (такие ячейки маркируются IMR), LiCoO2 (ICR), LiNiCoAlO2 (NCR), LiNiMnCoO2 (INR), LiFePO4 (IFR). От состава катодного материала напрямую зависят характеристики элементов питания, включая их емкость и устойчивость к токовым нагрузкам.
В роли анода обычно выступает графит, а у литий-титанатных элементов (маркировка LTO)– соединение Li4Ti5O12. Разделителем между электродами является пористый сепаратор, пропитанный электролитом. После сворачивания слоистой заготовки получаются литиевые аккумуляторы в форме цилиндра или призмы. В результате у нас есть элементы питания, которые значительно превосходят своих предшественников по удельной емкости, циклическому ресурсу и остальным параметрам.
Значение Li-ion технологии для электромобильности
Появление литий-ионных АКБ благотворно повлияло на распространение персонального электротранспорта и СИМ. Для эффективной работы электромобиля, е-байка, гироскутера, электросамоката и любых других технических средств с автономным питанием от тяговых аккумуляторных батарей важно, чтобы они:
- были компактными и легкими, не утяжеляли конструкцию;
- имели солидный запас емкости – обеспечивали хорошую автономность;
- подходили для работы в циклическом режиме заряд-разряд;
- легко накапливали и отдавали энергию;
- не перегревались при отдаче токов в нагрузку и обеспечивали стабильное питание электромоторов;
- были простыми и безопасными в использовании;
- сравнительно быстро заряжались;
- имели большой ресурс – от 500–1000 циклов заряда-разряд и более.
Этим требованиям отлично соответствуют литиевые АКБ с марганцем (тип химии LiMn2O4), модели группы NMC или INR (катодный материал LiNiMnCoO2) и аккумуляторы на основе литий-железо-фосфата (LiFePO4, LFP, встречается маркировка IFR). Такие ячейки называют высокотоковыми, т.к. они имеют малое внутреннее сопротивление и без перегрева выдерживают значительные токовые нагрузки. Именно такие элементы питания сыграли ключевую роль при создании и популяризации средств индивидуальной мобильности.
Преимущества литий-ионных АКБ
При оснащении СИМ и других устройств большое значение имеют следующие преимущества Li-ion аккумуляторов:
- высокая удельная емкость – залог увеличенной дальности хода электрического транспорта на 1 заряде;
- допустимые значения разрядных токов 5С и выше;
- способность при компактных размерах и легком весе обеспечивать стабильную токоотдачу, отличную энерговооруженность и хорошую автономность аккумуляторной техники;
- отсутствие эффекта памяти – возможность зарядки независимо от оставшегося запаса энергии, допустимость частичного и дробного заряда;
- возможность быстрой зарядки;
- устойчивость к вибрациям и тряске;
- номинальное напряжение 3,6–3,7 В на ячейку, у моделей подвида LiFePO4 – 3,2–3,3 В;
- ресурс около 1000 циклов, у моделей подвида LiFePO4 – более 2000;
- возможность сборки АКБ любого вольтажа и емкости с помощью последовательно-параллельного соединения элементов;
- незначительный саморазряд;
- нетребовательность к обслуживанию.
Сложности использования Li-ion батарей в электротранспорте
По сравнению с накопителями энергии предыдущих поколений, недостатков у литиевых батарей гораздо меньше. Первый минус – это более высокая цена. Но постепенно Li-ion источники питания становятся все более доступными. А если учесть эффективность их использования и больший срок службы, удельная стоимость рабочего цикла АКБ окажется более выгодной, чем у батарей предыдущих поколений. К тому же, какими бы дешевыми ни были свинцово-кислотные и никелевые батареи, из-за громоздкости и тяжеловесности (при одинаковых токо-емкостных параметрах) они не могут конкурировать с Li-ion моделями и не подходят для оснащения легкого электротранспорта.
Второй минус литиевых АКБ – сложности с обеспечением безопасности. При повреждении, разгерметизации или перегреве такие накопители энергии могут воспламениться. Для защиты от опасных состояний каждую батарею обязательно оснащают BMS платой. Это электронный модуль, который контролирует напряжение, температуру, токи разряда/заряда и при выходе любого параметра за допустимые границы отключает АКБ от нагрузки или зарядного устройства.
При соблюдении правил эксплуатации вероятность возгорания Li-ion батареи близится к нулю. Но если вы хотите дополнительно перестраховаться, выбирайте АКБ подвида LiFePO4. Этот тип химии обеспечивает накопителям энергии превосходную стабильность – и химическую, и термическую. Источники питания на основе литий-железо-фосфата не боятся глубоких разрядов и перезарядов, отрабатывают более 2000 циклов даже при жестких условиях эксплуатации, сохраняют характеристики на морозе и не возгораются даже при прокалывании или разгерметизации.
Третий минут связан с экологическими проблемами при добыче лития и некорректной утилизации старых батарей. Хотя литий-ионные АКБ не содержат тяжелых металлов, подобных кадмию или свинцу, лучшим способом их утилизации является переработка. Это самый экологичный способ добычи лития и других материалов, но масштабы их повторного использования пока незначительны.
Инновации и перспективы в развитии литиевой технологии
Индустрия легкого электрического транспорта и средств индивидуальной мобильности продолжает развиваться. Инновации в литиевой технологии раздвигают границы возможного и открывают многообещающие перспективы. Исследователи и инженеры продолжают работать над совершенствованием литий-ионных АКБ. Они экспериментируют с новыми материалами, внедряют эффективные технологические решения, используют твердые электролиты и нано-частицы, электропроводные добавки и многослойные полимеры.
Ученые проводят множество исследований и усердно работают над улучшением технических характеристик элементов питания. Поэтому с каждым годом Li-ion батареи становятся все более надежными и экономичными, а их использование – еще более эффективным и безопасным. Роль литиевых аккумуляторов и так сложно переоценить: именно они обеспечили персональный электротранспорт и СИМ энергией для продолжительных комфортных поездок без выбросов вредных веществ. Дальнейшее усовершенствование этой технологии поможет человечеству и далее двигаться вперед, бережно относясь к окружающей природе.
Ранее в блоге VirtusTec.ru вышла статья об особенностях зарядки разных видов АКБ для поломоечных машин.
