Литий-ионный аккумулятор

Литий-ионный аккумулятор

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion) — тип электрического аккумулятора, который широко распространён в современной бытовой электронной технике и находит своё применение в качестве источника энергии в электромобилях и накопителях энергии в энергетических системах. Это самый популярный тип аккумуляторов в таких устройствах как сотовые телефоны, ноутбуки, цифровые фотоаппараты, видеокамеры и электромобили. Первый литий-ионный аккумулятор выпустила корпорация Sony в 1991 году.

Характеристики литий-ионных аккумуляторов зависят от химического состава составляющих компонентов и варьируются в следующих пределах:

• напряжение единичного элемента:
  • номинальное: 3,7 В (у аккумуляторов на максимальное напряжение 4,35 В номинальное напряжение равно 3,8 В) (при разряде до середины ёмкости током, по величине равной пятой части ёмкости аккумулятора);
  • максимальное: 4,2 В или 4,4 В (у аккумуляторов на 4,35 В);
  • минимальное: 2,5-2,75-3,0 В (в зависимости от ёмкости и максимального напряжения);
• удельная энергоёмкость: 110 … 243 Втч/кг;
• внутреннее сопротивление: 5 … 15 мОм/Ач;
• число циклов заряд/разряд до достижения 80 % ёмкости: 600;
• время быстрого заряда: 15 мин … 1 час;
• саморазряд зависит от температуры хранения и степени заряда. При температуре 25 °C и заряде 100% ≈1,6 % в месяц;
• ток нагрузки относительно ёмкостиС представленной в Ач:
  • постоянный: до 65С;
  • импульсный: до 500С;
  • оптимальный: до 1С;
• диапазон рабочих температур: от −20 °C до +60 °C (наиболее оптимальная +20 °C);

Из-за превышения напряжения при зарядке аккумулятор может загореться, поэтому в корпус аккумуляторов встраивают контроллер заряда аккумуляторов, который защищает аккумулятор от превышения напряжения заряда. Также этот контроллер может опционально контролировать температуру аккумулятора, отключая его при перегреве, ограничивать глубину разряда и ток потребления. Тем не менее надо учитывать, что не все аккумуляторы снабжаются защитой. В целях снижения себестоимости или увеличения ёмкости производители могут не устанавливать её.

Литиевые аккумуляторы имеют специальные требования при подключении нескольких банок последовательно. Зарядные устройства для таких многобаночных аккумуляторов снабжаются схемой балансировки ячеек. Смысл балансировки в том, что электрические свойства банок могут немного отличаться, и какая-то банка достигнет полного заряда раньше других. При этом необходимо прекратить заряд этой банки, продолжая заряжать остальные. Эту функцию выполняет специальный узел балансировки аккумулятора. Он шунтирует заряженную банку так, чтобы ток заряда шёл мимо неё.

Зарядные устройства могут поддерживать конечное напряжение заряда в диапазоне 4,05—4,2 В для детектирования наличия аккумулятора.

Взгляд на будущее мобильных источников энергии

Аккумуляторная техника в последнее время у всех на слуху, а в 2019 году за разработку новых аккумуляторных технологий трое ученых были даже удостоены Нобелевской премии по химии. Современные мобильные источники энергии обеспечили принципиально новые возможности в самых разных сферах человеческой жизни – от мобильной телефонии до медицины.

В этой связи стоит коротко рассказать о стремительном развитии литий-ионной аккумуляторной технологии, обсудить ожидаемые тренды в этой области, а также и вопрос о том, действительно ли необходима подсветка спортивной обуви.

Глобальный успех ученых: литий-ионные аккумуляторы

Время от времени появляются новые технологии, радикально изменяющие жизнь людей, – к их числу относится и технология литий-ионных аккумуляторов. Исходным толчком к их появлению послужил поиск в 70-х годах прошлого столетия альтернативы обычным, неперезаряжаемым элементам питания, широко использовавшимся в кассетных плеерах и другой бытовой электронике. Литий-ионные аккумуляторы с самого начала заинтересовали исследователей благодаря ряду преимуществ: высокой плотности энергии, компактной конструкции и отсутствию эффекта памяти.

Однако серьезными проблемами, с которыми предстояло разобраться ученым, являлись легкая воспламеняемость таких аккумуляторов и склонность к возникновению внутриэлементных коротких замыканий. Работа над их решением продолжается и сейчас. Но решающим прорывом стали результаты научных исследований Джона Б. Гуденафа (США), М. Стенли Уиттингема (Великобритания) и Акиры Йошино (Япония), за которые они в 2019 году получили Нобелевскую премию по химии.

В 1983 году был изготовлен первый литий-ионный аккумулятор, допускавший многократный заряд, а в 1991 году компания Sony вывела эту технику на рынок. С тех пор началось неудержимое триумфальное шествие, убедительно подтверждаемое и цифрами: в 2019 году объем мирового рынка литий-ионных аккумуляторов составлял около 40 млрд евро, а к 2022 году прогнозируется его рост до примерно 60 млрд евро.

От гаджетов до крупногабаритной уборочной техники: аккумуляторы открывают новые возможности во всех областях

Мобильные телефоны, цифровые камеры, ноутбуки или карманные фонари: в мире почти не осталось электронных устройств, в которых не применялись бы литий-ионные аккумуляторы. Главными их преимуществами перед привычными никель-кадмиевыми или никель-металлогидридными аккумуляторами являются меньшие размеры и вес при высоких значениях емкости и энергоотдачи. Эти преимущества играют важную роль и при эксплуатации электроинструментов, садовой техники, пылесосов и ряда других аппаратов бытового и профессионального назначения.

Еще одной сферой широкого применения литий-ионной технологии, обусловленного возможностью соединения отдельных аккумуляторных элементов в батареи большой емкости, являются электрифицированные средства передвижения – от велосипедов, скутеров, сигвеев и т. п. до гибридных автомобилей, электромобилей и электробусов.

Благодаря своим компактным размерам, долгому сроку службы и отсутствию необходимости в каком-либо обслуживании литий-ионные аккумуляторы находят применение даже в качестве энергоаккумуляторов в солнечных энергоустановках. Обычные для бытового использования 6000 циклов заряда-разряда соответствуют примерно 20 годам эксплуатации, т. е. практически ресурсу самих солнечных батарей.

Сегодня литий-ионные – а завтра? Перспективы развития аккумуляторных технологий

Ясно, что литий-ионная аккумуляторная технология, уже завоевавшая столь широкое распространение и послужившая основой для создания целого ряда новых беспроводных решений, пока не намерена уступать свои позиции. Однако на пути ее дальнейшего развития есть преграды. Во-первых, в ближайшие годы спрос на энергоаккумуляторы для различных средств передвижения возрастет настолько, что его вряд ли удастся удовлетворить только за счет одной, уже существующей технологии. Во-вторых, уже сейчас ставятся задачи значительного повышения энергоемкости и сокращения времени заряда, решение которых, даже несмотря на потенциал дальнейшего усовершенствования литий-ионных аккумуляторных элементов, может потребовать других подходов. И, наконец, в среднесрочной перспективе возникнут проблемы с доступностью необходимого сырья, прежде всего кобальта и лития.

Поиски альтернативных решений начались уже давно. К их числу относится, например, батарея с твердотельным электролитом вместо обычного жидкого электропроводного вещества. Такие батареи должны обеспечивать как минимум 500-километровый пробег электромобилей от одного заряда и заряжаться в считанные минуты. В настоящее время ведутся активные исследования в области необходимых для них материалов и технологий производства.

Еще одним перспективным направлением является создание магниевых батарей, призванных превзойти нынешние литий-ионные в энергоотдаче и надежности при меньшей стоимости. К тому же необходимое для них сырье – магний – встречается на нашей планете в тысячу раз чаще, чем литий, и допускает более простую повторную переработку.

Везде ли необходимы аккумуляторы? Вопросы повторной переработки и охраны окружающей среды

Обратившись в заключение к серьезной теме экологии и устойчивого развития, для литий-ионной аккумуляторной технологии можно подвести следующий баланс. С одной стороны, ее применение в транспортных средствах или солнечных энергоустановках, несомненно, способствует сбережению ресурсов и охране окружающей среды. С другой стороны, наблюдается практически неограниченное расширение сфер применения аккумуляторов – их устанавливают уже в кроссовки с подсветкой, мигающие огнями джемперы или светодиодные украшения. И этот тренд, напротив, противоречит идеям разумного использования ресурсов. Критичным является и вопрос переработки отходов, поскольку существующие в настоящее время технологии не позволяют справиться с колоссальными объемами выработавших ресурс автомобильных аккумуляторных батарей.

Впрочем, в связи с прогнозируемым дефицитом и, соответственно, удорожанием кобальта и ряда других сырьевых материалов уже исследуются возможные решения проблемы повторной переработки. Например, кобальт, никель и медь можно выплавлять. Другой подход предполагает измельчение легко-воспламеняемых батарей в атмосфере азота и последующее выделение из измельченного материала графита, марганца, никеля и кобальта.

Повторное использование этих веществ для производства тяговых аккумуляторных батарей позволяет уменьшить эквивалентные выбросы CO₂ на 40 % в сравнении с их изготовлением из нового сырья. Существуют и многие другие варианты, преследующие единую цель – повторное использование как можно большей доли вторичного сырья с как можно меньшими энергозатратами.

Наконец, существует и еще один подход, разрабатываемый под девизом «Вторая жизнь». Он предусматривает использование выработавших ресурс аккумуляторов в качестве стационарных накопителей энергии. Дело в том, что по истечении примерно 8 – 10 лет эксплуатации аккумуляторных батарей в электромобилях снижается их энергоемкость и, соответственно, дальность пробега от одного заряда. Это заставляет заменять батареи несмотря на то, что они еще сохраняют работоспособность. Поэтому некоторые автопроизводители планируют использовать батареи c пониженной зарядной емкостью для сооружения больших стационарных энергоаккумуляторов.

Таким образом, аккумуляторные технологии развиваются по многим направлениям, и путь в будущее обещает быть захватывающим.

Karcher и аккумуляторные технологии:

4 вопроса д-ру Яну Бекеру, менеджеру Центра энергоаккумулирующих систем.

Сколько лет прошло с момента появления на рынке первой аккумуляторной техники Karcher?

Продукты с аккумуляторным питанием, обеспечивающие пользователям очевидные преимущества беспроводных технологий, присутствуют в нашем ассортименте уже более 30 лет. Все эти годы мы тщательно анализировали, в каких именно областях применения аккумуляторная техника обеспечивает наибольшую эффективность, и занимались вопросами практической реализации новых решений.

Сейчас, в рамках концепции «Беспроводная вселенная Karcher», на рынок выводятся две новые аккумуляторные платформы. Чему уделялось главное внимание при их разработке?

Мы учитывали целый ряд важных аспектов – от повышения энергоотдачи и времени работы от одного заряда до отображения с минутной точностью времени, остающегося до конца процесса заряда, или запаса времени работы аппарата, приводимого в действие аккумулятором. Потребителям предлагаются аккумуляторы различной емкости с напряжением 18 или 36 В. При этом все аккумуляторы каждой платформы совместимы со всеми аппаратами, рассчитанными на соответствующее напряжение питания.

А какие новые аккумуляторные продукты появятся на рынке?

В сегменте продуктов для дома и сада новая аккумуляторная техника предлагается на рынке уже с весны 2019 года. В частности, к ней относятся аппараты среднего давления, пылесосы влажной и сухой уборки, а также различные садовые инструменты. Для профессиональных пользователей продажи новой аккумуляторной техники, например пылесосов влажной и сухой уборки и инструментов для ухода за зелеными насаждениями, начнутся в 2020 году. А еще стоит упомянуть недавно представленный нами первый в мире профессиональный аккумуляторный аппарат высокого давления.

Литий-ионные аккумуляторы пока еще не сдают свои позиции, но появление новых аккумуляторных технологий – лишь вопрос времени. Как реагирует на это Karcher?

Концепция наших аккумуляторных платформ такова, что новые типы аккумуляторных элементов без проблем вписываются в существующий интерфейс. Для нас это было очень важно – ведь мы всегда стремимся предложить клиентам перспективные решения, ориентированные на будущее.

Взгляд на будущее мобильных источников энергии

Аккумуляторная техника в последнее время у всех на слуху, а в 2019 году за разработку новых аккумуляторных технологий трое ученых были даже удостоены Нобелевской премии по химии. Современные мобильные источники энергии обеспечили принципиально новые возможности в самых разных сферах человеческой жизни – от мобильной телефонии до медицины.

В этой связи стоит коротко рассказать о стремительном развитии литий-ионной аккумуляторной технологии, обсудить ожидаемые тренды в этой области, а также и вопрос о том, действительно ли необходима подсветка спортивной обуви.

Глобальный успех ученых: литий-ионные аккумуляторы

Время от времени появляются новые технологии, радикально изменяющие жизнь людей, – к их числу относится и технология литий-ионных аккумуляторов. Исходным толчком к их появлению послужил поиск в 70-х годах прошлого столетия альтернативы обычным, неперезаряжаемым элементам питания, широко использовавшимся в кассетных плеерах и другой бытовой электронике. Литий-ионные аккумуляторы с самого начала заинтересовали исследователей благодаря ряду преимуществ: высокой плотности энергии, компактной конструкции и отсутствию эффекта памяти.

Однако серьезными проблемами, с которыми предстояло разобраться ученым, являлись легкая воспламеняемость таких аккумуляторов и склонность к возникновению внутриэлементных коротких замыканий. Работа над их решением продолжается и сейчас. Но решающим прорывом стали результаты научных исследований Джона Б. Гуденафа (США), М. Стенли Уиттингема (Великобритания) и Акиры Йошино (Япония), за которые они в 2019 году получили Нобелевскую премию по химии.

В 1983 году был изготовлен первый литий-ионный аккумулятор, допускавший многократный заряд, а в 1991 году компания Sony вывела эту технику на рынок. С тех пор началось неудержимое триумфальное шествие, убедительно подтверждаемое и цифрами: в 2019 году объем мирового рынка литий-ионных аккумуляторов составлял около 40 млрд евро, а к 2022 году прогнозируется его рост до примерно 60 млрд евро.

От гаджетов до крупногабаритной уборочной техники: аккумуляторы открывают новые возможности во всех областях

Мобильные телефоны, цифровые камеры, ноутбуки или карманные фонари: в мире почти не осталось электронных устройств, в которых не применялись бы литий-ионные аккумуляторы. Главными их преимуществами перед привычными никель-кадмиевыми или никель-металлогидридными аккумуляторами являются меньшие размеры и вес при высоких значениях емкости и энергоотдачи. Эти преимущества играют важную роль и при эксплуатации электроинструментов, садовой техники, пылесосов и ряда других аппаратов бытового и профессионального назначения.

Еще одной сферой широкого применения литий-ионной технологии, обусловленного возможностью соединения отдельных аккумуляторных элементов в батареи большой емкости, являются электрифицированные средства передвижения – от велосипедов, скутеров, сигвеев и т. п. до гибридных автомобилей, электромобилей и электробусов.

Благодаря своим компактным размерам, долгому сроку службы и отсутствию необходимости в каком-либо обслуживании литий-ионные аккумуляторы находят применение даже в качестве энергоаккумуляторов в солнечных энергоустановках. Обычные для бытового использования 6000 циклов заряда-разряда соответствуют примерно 20 годам эксплуатации, т. е. практически ресурсу самих солнечных батарей.

Сегодня литий-ионные – а завтра? Перспективы развития аккумуляторных технологий

Ясно, что литий-ионная аккумуляторная технология, уже завоевавшая столь широкое распространение и послужившая основой для создания целого ряда новых беспроводных решений, пока не намерена уступать свои позиции. Однако на пути ее дальнейшего развития есть преграды. Во-первых, в ближайшие годы спрос на энергоаккумуляторы для различных средств передвижения возрастет настолько, что его вряд ли удастся удовлетворить только за счет одной, уже существующей технологии. Во-вторых, уже сейчас ставятся задачи значительного повышения энергоемкости и сокращения времени заряда, решение которых, даже несмотря на потенциал дальнейшего усовершенствования литий-ионных аккумуляторных элементов, может потребовать других подходов. И, наконец, в среднесрочной перспективе возникнут проблемы с доступностью необходимого сырья, прежде всего кобальта и лития.

Поиски альтернативных решений начались уже давно. К их числу относится, например, батарея с твердотельным электролитом вместо обычного жидкого электропроводного вещества. Такие батареи должны обеспечивать как минимум 500-километровый пробег электромобилей от одного заряда и заряжаться в считанные минуты. В настоящее время ведутся активные исследования в области необходимых для них материалов и технологий производства.

Еще одним перспективным направлением является создание магниевых батарей, призванных превзойти нынешние литий-ионные в энергоотдаче и надежности при меньшей стоимости. К тому же необходимое для них сырье – магний – встречается на нашей планете в тысячу раз чаще, чем литий, и допускает более простую повторную переработку.

Везде ли необходимы аккумуляторы? Вопросы повторной переработки и охраны окружающей среды

Обратившись в заключение к серьезной теме экологии и устойчивого развития, для литий-ионной аккумуляторной технологии можно подвести следующий баланс. С одной стороны, ее применение в транспортных средствах или солнечных энергоустановках, несомненно, способствует сбережению ресурсов и охране окружающей среды. С другой стороны, наблюдается практически неограниченное расширение сфер применения аккумуляторов – их устанавливают уже в кроссовки с подсветкой, мигающие огнями джемперы или светодиодные украшения. И этот тренд, напротив, противоречит идеям разумного использования ресурсов. Критичным является и вопрос переработки отходов, поскольку существующие в настоящее время технологии не позволяют справиться с колоссальными объемами выработавших ресурс автомобильных аккумуляторных батарей.

Впрочем, в связи с прогнозируемым дефицитом и, соответственно, удорожанием кобальта и ряда других сырьевых материалов уже исследуются возможные решения проблемы повторной переработки. Например, кобальт, никель и медь можно выплавлять. Другой подход предполагает измельчение легко-воспламеняемых батарей в атмосфере азота и последующее выделение из измельченного материала графита, марганца, никеля и кобальта.

Повторное использование этих веществ для производства тяговых аккумуляторных батарей позволяет уменьшить эквивалентные выбросы CO₂ на 40 % в сравнении с их изготовлением из нового сырья. Существуют и многие другие варианты, преследующие единую цель – повторное использование как можно большей доли вторичного сырья с как можно меньшими энергозатратами.

Наконец, существует и еще один подход, разрабатываемый под девизом «Вторая жизнь». Он предусматривает использование выработавших ресурс аккумуляторов в качестве стационарных накопителей энергии. Дело в том, что по истечении примерно 8 – 10 лет эксплуатации аккумуляторных батарей в электромобилях снижается их энергоемкость и, соответственно, дальность пробега от одного заряда. Это заставляет заменять батареи несмотря на то, что они еще сохраняют работоспособность. Поэтому некоторые автопроизводители планируют использовать батареи c пониженной зарядной емкостью для сооружения больших стационарных энергоаккумуляторов.

Таким образом, аккумуляторные технологии развиваются по многим направлениям, и путь в будущее обещает быть захватывающим.

Karcher и аккумуляторные технологии:

4 вопроса д-ру Яну Бекеру, менеджеру Центра энергоаккумулирующих систем.

Сколько лет прошло с момента появления на рынке первой аккумуляторной техники Karcher?

Продукты с аккумуляторным питанием, обеспечивающие пользователям очевидные преимущества беспроводных технологий, присутствуют в нашем ассортименте уже более 30 лет. Все эти годы мы тщательно анализировали, в каких именно областях применения аккумуляторная техника обеспечивает наибольшую эффективность, и занимались вопросами практической реализации новых решений.

Сейчас, в рамках концепции «Беспроводная вселенная Karcher», на рынок выводятся две новые аккумуляторные платформы. Чему уделялось главное внимание при их разработке?

Мы учитывали целый ряд важных аспектов – от повышения энергоотдачи и времени работы от одного заряда до отображения с минутной точностью времени, остающегося до конца процесса заряда, или запаса времени работы аппарата, приводимого в действие аккумулятором. Потребителям предлагаются аккумуляторы различной емкости с напряжением 18 или 36 В. При этом все аккумуляторы каждой платформы совместимы со всеми аппаратами, рассчитанными на соответствующее напряжение питания.

А какие новые аккумуляторные продукты появятся на рынке?

В сегменте продуктов для дома и сада новая аккумуляторная техника предлагается на рынке уже с весны 2019 года. В частности, к ней относятся аппараты среднего давления, пылесосы влажной и сухой уборки, а также различные садовые инструменты. Для профессиональных пользователей продажи новой аккумуляторной техники, например пылесосов влажной и сухой уборки и инструментов для ухода за зелеными насаждениями, начнутся в 2020 году. А еще стоит упомянуть недавно представленный нами первый в мире профессиональный аккумуляторный аппарат высокого давления.

Литий-ионные аккумуляторы пока еще не сдают свои позиции, но появление новых аккумуляторных технологий – лишь вопрос времени. Как реагирует на это Karcher?

Концепция наших аккумуляторных платформ такова, что новые типы аккумуляторных элементов без проблем вписываются в существующий интерфейс. Для нас это было очень важно – ведь мы всегда стремимся предложить клиентам перспективные решения, ориентированные на будущее.

Устройство

Литий-ионный аккумулятор состоит из электродов (катодного материала на алюминиевой фольге и анодного материала на медной фольге), разделённых пористым сепаратором, пропитанным электролитом. Пакет электродов помещён в герметичный корпус, катоды и аноды подсоединены к клеммам-токосъёмникам. Корпус иногда оснащают предохранительным клапаном, сбрасывающим внутреннее давление при аварийных ситуациях или нарушениях условий эксплуатации. Литий-ионные аккумуляторы различаются по типу используемого катодного материала. Переносчиком заряда в литий-ионном аккумуляторе является положительно заряженный ион лития, который имеет способность внедряться (интеркалироваться) в кристаллическую решётку других материалов (например, в графит, окислы и соли металлов) с образованием химической связи, например: в графит с образованием LiC₆, окислы (LiMnO₂) и соли (LiMn_RO_N) металлов.

Первоначально в качестве отрицательных пластин применялся металлический литий, затем — каменноугольный кокс. В дальнейшем стал применяться графит. Применение оксидов кобальта позволяет аккумуляторам работать при значительно более низких температурах, повышает количество циклов разряда/заряда одного аккумулятора. Распространение литий-железо-фосфатных аккумуляторов обусловлено их относительно низкой стоимостью. Литий-ионные аккумуляторы применяются в комплекте с системой контроля и управления — СКУ или BMS (battery management system), — и специальным устройством заряда/разряда.

В настоящее время в массовом производстве литий-ионных аккумуляторов используются три класса катодных материалов:

• кобальтат лития LiCoO₂ и твёрдые растворы на основе изоструктурного ему никелата лития
• литий-марганцевая шпинель LiMn₂O₄
• литий-феррофосфат LiFePO₄.

Электрохимические схемы литий-ионных аккумуляторов:

• литий-кобальтовые LiCoO₂ + 6C → Li_1-xCoO₂ + LiC₆
• литий-ферро-фосфатные LiFePO₄ + 6C → Li_1-xFePO₄ + LiC₆

Благодаря низкому саморазряду и большому количеству циклов заряда/разряда, Li-ion-аккумуляторы наиболее предпочтительны для применения в альтернативной энергетике. При этом, помимо системы СКУ они укомплектовываются инверторами (преобразователи напряжения).

Взгляд на будущее мобильных источников энергии

Аккумуляторная техника в последнее время у всех на слуху, а в 2019 году за разработку новых аккумуляторных технологий трое ученых были даже удостоены Нобелевской премии по химии. Современные мобильные источники энергии обеспечили принципиально новые возможности в самых разных сферах человеческой жизни – от мобильной телефонии до медицины.

В этой связи стоит коротко рассказать о стремительном развитии литий-ионной аккумуляторной технологии, обсудить ожидаемые тренды в этой области, а также и вопрос о том, действительно ли необходима подсветка спортивной обуви.

Глобальный успех ученых: литий-ионные аккумуляторы

Время от времени появляются новые технологии, радикально изменяющие жизнь людей, – к их числу относится и технология литий-ионных аккумуляторов. Исходным толчком к их появлению послужил поиск в 70-х годах прошлого столетия альтернативы обычным, неперезаряжаемым элементам питания, широко использовавшимся в кассетных плеерах и другой бытовой электронике. Литий-ионные аккумуляторы с самого начала заинтересовали исследователей благодаря ряду преимуществ: высокой плотности энергии, компактной конструкции и отсутствию эффекта памяти.

Однако серьезными проблемами, с которыми предстояло разобраться ученым, являлись легкая воспламеняемость таких аккумуляторов и склонность к возникновению внутриэлементных коротких замыканий. Работа над их решением продолжается и сейчас. Но решающим прорывом стали результаты научных исследований Джона Б. Гуденафа (США), М. Стенли Уиттингема (Великобритания) и Акиры Йошино (Япония), за которые они в 2019 году получили Нобелевскую премию по химии.

В 1983 году был изготовлен первый литий-ионный аккумулятор, допускавший многократный заряд, а в 1991 году компания Sony вывела эту технику на рынок. С тех пор началось неудержимое триумфальное шествие, убедительно подтверждаемое и цифрами: в 2019 году объем мирового рынка литий-ионных аккумуляторов составлял около 40 млрд евро, а к 2022 году прогнозируется его рост до примерно 60 млрд евро.

От гаджетов до крупногабаритной уборочной техники: аккумуляторы открывают новые возможности во всех областях

Мобильные телефоны, цифровые камеры, ноутбуки или карманные фонари: в мире почти не осталось электронных устройств, в которых не применялись бы литий-ионные аккумуляторы. Главными их преимуществами перед привычными никель-кадмиевыми или никель-металлогидридными аккумуляторами являются меньшие размеры и вес при высоких значениях емкости и энергоотдачи. Эти преимущества играют важную роль и при эксплуатации электроинструментов, садовой техники, пылесосов и ряда других аппаратов бытового и профессионального назначения.

Еще одной сферой широкого применения литий-ионной технологии, обусловленного возможностью соединения отдельных аккумуляторных элементов в батареи большой емкости, являются электрифицированные средства передвижения – от велосипедов, скутеров, сигвеев и т. п. до гибридных автомобилей, электромобилей и электробусов.

Благодаря своим компактным размерам, долгому сроку службы и отсутствию необходимости в каком-либо обслуживании литий-ионные аккумуляторы находят применение даже в качестве энергоаккумуляторов в солнечных энергоустановках. Обычные для бытового использования 6000 циклов заряда-разряда соответствуют примерно 20 годам эксплуатации, т. е. практически ресурсу самих солнечных батарей.

Сегодня литий-ионные – а завтра? Перспективы развития аккумуляторных технологий

Ясно, что литий-ионная аккумуляторная технология, уже завоевавшая столь широкое распространение и послужившая основой для создания целого ряда новых беспроводных решений, пока не намерена уступать свои позиции. Однако на пути ее дальнейшего развития есть преграды. Во-первых, в ближайшие годы спрос на энергоаккумуляторы для различных средств передвижения возрастет настолько, что его вряд ли удастся удовлетворить только за счет одной, уже существующей технологии. Во-вторых, уже сейчас ставятся задачи значительного повышения энергоемкости и сокращения времени заряда, решение которых, даже несмотря на потенциал дальнейшего усовершенствования литий-ионных аккумуляторных элементов, может потребовать других подходов. И, наконец, в среднесрочной перспективе возникнут проблемы с доступностью необходимого сырья, прежде всего кобальта и лития.

Поиски альтернативных решений начались уже давно. К их числу относится, например, батарея с твердотельным электролитом вместо обычного жидкого электропроводного вещества. Такие батареи должны обеспечивать как минимум 500-километровый пробег электромобилей от одного заряда и заряжаться в считанные минуты. В настоящее время ведутся активные исследования в области необходимых для них материалов и технологий производства.

Еще одним перспективным направлением является создание магниевых батарей, призванных превзойти нынешние литий-ионные в энергоотдаче и надежности при меньшей стоимости. К тому же необходимое для них сырье – магний – встречается на нашей планете в тысячу раз чаще, чем литий, и допускает более простую повторную переработку.

Везде ли необходимы аккумуляторы? Вопросы повторной переработки и охраны окружающей среды

Обратившись в заключение к серьезной теме экологии и устойчивого развития, для литий-ионной аккумуляторной технологии можно подвести следующий баланс. С одной стороны, ее применение в транспортных средствах или солнечных энергоустановках, несомненно, способствует сбережению ресурсов и охране окружающей среды. С другой стороны, наблюдается практически неограниченное расширение сфер применения аккумуляторов – их устанавливают уже в кроссовки с подсветкой, мигающие огнями джемперы или светодиодные украшения. И этот тренд, напротив, противоречит идеям разумного использования ресурсов. Критичным является и вопрос переработки отходов, поскольку существующие в настоящее время технологии не позволяют справиться с колоссальными объемами выработавших ресурс автомобильных аккумуляторных батарей.

Впрочем, в связи с прогнозируемым дефицитом и, соответственно, удорожанием кобальта и ряда других сырьевых материалов уже исследуются возможные решения проблемы повторной переработки. Например, кобальт, никель и медь можно выплавлять. Другой подход предполагает измельчение легко-воспламеняемых батарей в атмосфере азота и последующее выделение из измельченного материала графита, марганца, никеля и кобальта.

Повторное использование этих веществ для производства тяговых аккумуляторных батарей позволяет уменьшить эквивалентные выбросы CO₂ на 40 % в сравнении с их изготовлением из нового сырья. Существуют и многие другие варианты, преследующие единую цель – повторное использование как можно большей доли вторичного сырья с как можно меньшими энергозатратами.

Наконец, существует и еще один подход, разрабатываемый под девизом «Вторая жизнь». Он предусматривает использование выработавших ресурс аккумуляторов в качестве стационарных накопителей энергии. Дело в том, что по истечении примерно 8 – 10 лет эксплуатации аккумуляторных батарей в электромобилях снижается их энергоемкость и, соответственно, дальность пробега от одного заряда. Это заставляет заменять батареи несмотря на то, что они еще сохраняют работоспособность. Поэтому некоторые автопроизводители планируют использовать батареи c пониженной зарядной емкостью для сооружения больших стационарных энергоаккумуляторов.

Таким образом, аккумуляторные технологии развиваются по многим направлениям, и путь в будущее обещает быть захватывающим.

Karcher и аккумуляторные технологии:

4 вопроса д-ру Яну Бекеру, менеджеру Центра энергоаккумулирующих систем.

Сколько лет прошло с момента появления на рынке первой аккумуляторной техники Karcher?

Продукты с аккумуляторным питанием, обеспечивающие пользователям очевидные преимущества беспроводных технологий, присутствуют в нашем ассортименте уже более 30 лет. Все эти годы мы тщательно анализировали, в каких именно областях применения аккумуляторная техника обеспечивает наибольшую эффективность, и занимались вопросами практической реализации новых решений.

Сейчас, в рамках концепции «Беспроводная вселенная Karcher», на рынок выводятся две новые аккумуляторные платформы. Чему уделялось главное внимание при их разработке?

Мы учитывали целый ряд важных аспектов – от повышения энергоотдачи и времени работы от одного заряда до отображения с минутной точностью времени, остающегося до конца процесса заряда, или запаса времени работы аппарата, приводимого в действие аккумулятором. Потребителям предлагаются аккумуляторы различной емкости с напряжением 18 или 36 В. При этом все аккумуляторы каждой платформы совместимы со всеми аппаратами, рассчитанными на соответствующее напряжение питания.

А какие новые аккумуляторные продукты появятся на рынке?

В сегменте продуктов для дома и сада новая аккумуляторная техника предлагается на рынке уже с весны 2019 года. В частности, к ней относятся аппараты среднего давления, пылесосы влажной и сухой уборки, а также различные садовые инструменты. Для профессиональных пользователей продажи новой аккумуляторной техники, например пылесосов влажной и сухой уборки и инструментов для ухода за зелеными насаждениями, начнутся в 2020 году. А еще стоит упомянуть недавно представленный нами первый в мире профессиональный аккумуляторный аппарат высокого давления.

Литий-ионные аккумуляторы пока еще не сдают свои позиции, но появление новых аккумуляторных технологий – лишь вопрос времени. Как реагирует на это Karcher?

Концепция наших аккумуляторных платформ такова, что новые типы аккумуляторных элементов без проблем вписываются в существующий интерфейс. Для нас это было очень важно – ведь мы всегда стремимся предложить клиентам перспективные решения, ориентированные на будущее.

Характеристики литий-ионных аккумуляторов зависят от химического состава составляющих компонентов и варьируются в следующих пределах:

• напряжение единичного элемента:
  • номинальное: 3,7 В (у аккумуляторов на максимальное напряжение 4,35 В номинальное напряжение равно 3,8 В) (при разряде до середины ёмкости током, по величине равной пятой части ёмкости аккумулятора);
  • максимальное: 4,2 В или 4,4 В (у аккумуляторов на 4,35 В);
  • минимальное: 2,5-2,75-3,0 В (в зависимости от ёмкости и максимального напряжения);
• удельная энергоёмкость: 110 … 243 Втч/кг;
• внутреннее сопротивление: 5 … 15 мОм/Ач;
• число циклов заряд/разряд до достижения 80 % ёмкости: 600;
• время быстрого заряда: 15 мин … 1 час;
• саморазряд зависит от температуры хранения и степени заряда. При температуре 25 °C и заряде 100% ≈1,6 % в месяц;
• ток нагрузки относительно ёмкостиС представленной в Ач:
  • постоянный: до 65С;
  • импульсный: до 500С;
  • оптимальный: до 1С;
• диапазон рабочих температур: от −20 °C до +60 °C (наиболее оптимальная +20 °C);

Из-за превышения напряжения при зарядке аккумулятор может загореться, поэтому в корпус аккумуляторов встраивают контроллер заряда аккумуляторов, который защищает аккумулятор от превышения напряжения заряда. Также этот контроллер может опционально контролировать температуру аккумулятора, отключая его при перегреве, ограничивать глубину разряда и ток потребления. Тем не менее надо учитывать, что не все аккумуляторы снабжаются защитой. В целях снижения себестоимости или увеличения ёмкости производители могут не устанавливать её.

Литиевые аккумуляторы имеют специальные требования при подключении нескольких банок последовательно. Зарядные устройства для таких многобаночных аккумуляторов снабжаются схемой балансировки ячеек. Смысл балансировки в том, что электрические свойства банок могут немного отличаться, и какая-то банка достигнет полного заряда раньше других. При этом необходимо прекратить заряд этой банки, продолжая заряжать остальные. Эту функцию выполняет специальный узел балансировки аккумулятора. Он шунтирует заряженную банку так, чтобы ток заряда шёл мимо неё.

Зарядные устройства могут поддерживать конечное напряжение заряда в диапазоне 4,05—4,2 В для детектирования наличия аккумулятора.

Характеристики литий-ионных аккумуляторов зависят от химического состава составляющих компонентов и варьируются в следующих пределах:

• напряжение единичного элемента:
  • номинальное: 3,7 В (у аккумуляторов на максимальное напряжение 4,35 В номинальное напряжение равно 3,8 В) (при разряде до середины ёмкости током, по величине равной пятой части ёмкости аккумулятора);
  • максимальное: 4,2 В или 4,4 В (у аккумуляторов на 4,35 В);
  • минимальное: 2,5-2,75-3,0 В (в зависимости от ёмкости и максимального напряжения);
• удельная энергоёмкость: 110 … 243 Втч/кг;
• внутреннее сопротивление: 5 … 15 мОм/Ач;
• число циклов заряд/разряд до достижения 80 % ёмкости: 600;
• время быстрого заряда: 15 мин … 1 час;
• саморазряд зависит от температуры хранения и степени заряда. При температуре 25 °C и заряде 100% ≈1,6 % в месяц;
• ток нагрузки относительно ёмкостиС представленной в Ач:
  • постоянный: до 65С;
  • импульсный: до 500С;
  • оптимальный: до 1С;
• диапазон рабочих температур: от −20 °C до +60 °C (наиболее оптимальная +20 °C);

Из-за превышения напряжения при зарядке аккумулятор может загореться, поэтому в корпус аккумуляторов встраивают контроллер заряда аккумуляторов, который защищает аккумулятор от превышения напряжения заряда. Также этот контроллер может опционально контролировать температуру аккумулятора, отключая его при перегреве, ограничивать глубину разряда и ток потребления. Тем не менее надо учитывать, что не все аккумуляторы снабжаются защитой. В целях снижения себестоимости или увеличения ёмкости производители могут не устанавливать её.

Литиевые аккумуляторы имеют специальные требования при подключении нескольких банок последовательно. Зарядные устройства для таких многобаночных аккумуляторов снабжаются схемой балансировки ячеек. Смысл балансировки в том, что электрические свойства банок могут немного отличаться, и какая-то банка достигнет полного заряда раньше других. При этом необходимо прекратить заряд этой банки, продолжая заряжать остальные. Эту функцию выполняет специальный узел балансировки аккумулятора. Он шунтирует заряженную банку так, чтобы ток заряда шёл мимо неё.

Зарядные устройства могут поддерживать конечное напряжение заряда в диапазоне 4,05—4,2 В для детектирования наличия аккумулятора.

Взгляд на будущее мобильных источников энергии

Аккумуляторная техника в последнее время у всех на слуху, а в 2019 году за разработку новых аккумуляторных технологий трое ученых были даже удостоены Нобелевской премии по химии. Современные мобильные источники энергии обеспечили принципиально новые возможности в самых разных сферах человеческой жизни – от мобильной телефонии до медицины.

В этой связи стоит коротко рассказать о стремительном развитии литий-ионной аккумуляторной технологии, обсудить ожидаемые тренды в этой области, а также и вопрос о том, действительно ли необходима подсветка спортивной обуви.

Глобальный успех ученых: литий-ионные аккумуляторы

Время от времени появляются новые технологии, радикально изменяющие жизнь людей, – к их числу относится и технология литий-ионных аккумуляторов. Исходным толчком к их появлению послужил поиск в 70-х годах прошлого столетия альтернативы обычным, неперезаряжаемым элементам питания, широко использовавшимся в кассетных плеерах и другой бытовой электронике. Литий-ионные аккумуляторы с самого начала заинтересовали исследователей благодаря ряду преимуществ: высокой плотности энергии, компактной конструкции и отсутствию эффекта памяти.

Однако серьезными проблемами, с которыми предстояло разобраться ученым, являлись легкая воспламеняемость таких аккумуляторов и склонность к возникновению внутриэлементных коротких замыканий. Работа над их решением продолжается и сейчас. Но решающим прорывом стали результаты научных исследований Джона Б. Гуденафа (США), М. Стенли Уиттингема (Великобритания) и Акиры Йошино (Япония), за которые они в 2019 году получили Нобелевскую премию по химии.

В 1983 году был изготовлен первый литий-ионный аккумулятор, допускавший многократный заряд, а в 1991 году компания Sony вывела эту технику на рынок. С тех пор началось неудержимое триумфальное шествие, убедительно подтверждаемое и цифрами: в 2019 году объем мирового рынка литий-ионных аккумуляторов составлял около 40 млрд евро, а к 2022 году прогнозируется его рост до примерно 60 млрд евро.

От гаджетов до крупногабаритной уборочной техники: аккумуляторы открывают новые возможности во всех областях

Мобильные телефоны, цифровые камеры, ноутбуки или карманные фонари: в мире почти не осталось электронных устройств, в которых не применялись бы литий-ионные аккумуляторы. Главными их преимуществами перед привычными никель-кадмиевыми или никель-металлогидридными аккумуляторами являются меньшие размеры и вес при высоких значениях емкости и энергоотдачи. Эти преимущества играют важную роль и при эксплуатации электроинструментов, садовой техники, пылесосов и ряда других аппаратов бытового и профессионального назначения.

Еще одной сферой широкого применения литий-ионной технологии, обусловленного возможностью соединения отдельных аккумуляторных элементов в батареи большой емкости, являются электрифицированные средства передвижения – от велосипедов, скутеров, сигвеев и т. п. до гибридных автомобилей, электромобилей и электробусов.

Благодаря своим компактным размерам, долгому сроку службы и отсутствию необходимости в каком-либо обслуживании литий-ионные аккумуляторы находят применение даже в качестве энергоаккумуляторов в солнечных энергоустановках. Обычные для бытового использования 6000 циклов заряда-разряда соответствуют примерно 20 годам эксплуатации, т. е. практически ресурсу самих солнечных батарей.

Сегодня литий-ионные – а завтра? Перспективы развития аккумуляторных технологий

Ясно, что литий-ионная аккумуляторная технология, уже завоевавшая столь широкое распространение и послужившая основой для создания целого ряда новых беспроводных решений, пока не намерена уступать свои позиции. Однако на пути ее дальнейшего развития есть преграды. Во-первых, в ближайшие годы спрос на энергоаккумуляторы для различных средств передвижения возрастет настолько, что его вряд ли удастся удовлетворить только за счет одной, уже существующей технологии. Во-вторых, уже сейчас ставятся задачи значительного повышения энергоемкости и сокращения времени заряда, решение которых, даже несмотря на потенциал дальнейшего усовершенствования литий-ионных аккумуляторных элементов, может потребовать других подходов. И, наконец, в среднесрочной перспективе возникнут проблемы с доступностью необходимого сырья, прежде всего кобальта и лития.

Поиски альтернативных решений начались уже давно. К их числу относится, например, батарея с твердотельным электролитом вместо обычного жидкого электропроводного вещества. Такие батареи должны обеспечивать как минимум 500-километровый пробег электромобилей от одного заряда и заряжаться в считанные минуты. В настоящее время ведутся активные исследования в области необходимых для них материалов и технологий производства.

Еще одним перспективным направлением является создание магниевых батарей, призванных превзойти нынешние литий-ионные в энергоотдаче и надежности при меньшей стоимости. К тому же необходимое для них сырье – магний – встречается на нашей планете в тысячу раз чаще, чем литий, и допускает более простую повторную переработку.

Везде ли необходимы аккумуляторы? Вопросы повторной переработки и охраны окружающей среды

Обратившись в заключение к серьезной теме экологии и устойчивого развития, для литий-ионной аккумуляторной технологии можно подвести следующий баланс. С одной стороны, ее применение в транспортных средствах или солнечных энергоустановках, несомненно, способствует сбережению ресурсов и охране окружающей среды. С другой стороны, наблюдается практически неограниченное расширение сфер применения аккумуляторов – их устанавливают уже в кроссовки с подсветкой, мигающие огнями джемперы или светодиодные украшения. И этот тренд, напротив, противоречит идеям разумного использования ресурсов. Критичным является и вопрос переработки отходов, поскольку существующие в настоящее время технологии не позволяют справиться с колоссальными объемами выработавших ресурс автомобильных аккумуляторных батарей.

Впрочем, в связи с прогнозируемым дефицитом и, соответственно, удорожанием кобальта и ряда других сырьевых материалов уже исследуются возможные решения проблемы повторной переработки. Например, кобальт, никель и медь можно выплавлять. Другой подход предполагает измельчение легко-воспламеняемых батарей в атмосфере азота и последующее выделение из измельченного материала графита, марганца, никеля и кобальта.

Повторное использование этих веществ для производства тяговых аккумуляторных батарей позволяет уменьшить эквивалентные выбросы CO₂ на 40 % в сравнении с их изготовлением из нового сырья. Существуют и многие другие варианты, преследующие единую цель – повторное использование как можно большей доли вторичного сырья с как можно меньшими энергозатратами.

Наконец, существует и еще один подход, разрабатываемый под девизом «Вторая жизнь». Он предусматривает использование выработавших ресурс аккумуляторов в качестве стационарных накопителей энергии. Дело в том, что по истечении примерно 8 – 10 лет эксплуатации аккумуляторных батарей в электромобилях снижается их энергоемкость и, соответственно, дальность пробега от одного заряда. Это заставляет заменять батареи несмотря на то, что они еще сохраняют работоспособность. Поэтому некоторые автопроизводители планируют использовать батареи c пониженной зарядной емкостью для сооружения больших стационарных энергоаккумуляторов.

Таким образом, аккумуляторные технологии развиваются по многим направлениям, и путь в будущее обещает быть захватывающим.

Karcher и аккумуляторные технологии:

4 вопроса д-ру Яну Бекеру, менеджеру Центра энергоаккумулирующих систем.

Сколько лет прошло с момента появления на рынке первой аккумуляторной техники Karcher?

Продукты с аккумуляторным питанием, обеспечивающие пользователям очевидные преимущества беспроводных технологий, присутствуют в нашем ассортименте уже более 30 лет. Все эти годы мы тщательно анализировали, в каких именно областях применения аккумуляторная техника обеспечивает наибольшую эффективность, и занимались вопросами практической реализации новых решений.

Сейчас, в рамках концепции «Беспроводная вселенная Karcher», на рынок выводятся две новые аккумуляторные платформы. Чему уделялось главное внимание при их разработке?

Мы учитывали целый ряд важных аспектов – от повышения энергоотдачи и времени работы от одного заряда до отображения с минутной точностью времени, остающегося до конца процесса заряда, или запаса времени работы аппарата, приводимого в действие аккумулятором. Потребителям предлагаются аккумуляторы различной емкости с напряжением 18 или 36 В. При этом все аккумуляторы каждой платформы совместимы со всеми аппаратами, рассчитанными на соответствующее напряжение питания.

А какие новые аккумуляторные продукты появятся на рынке?

В сегменте продуктов для дома и сада новая аккумуляторная техника предлагается на рынке уже с весны 2019 года. В частности, к ней относятся аппараты среднего давления, пылесосы влажной и сухой уборки, а также различные садовые инструменты. Для профессиональных пользователей продажи новой аккумуляторной техники, например пылесосов влажной и сухой уборки и инструментов для ухода за зелеными насаждениями, начнутся в 2020 году. А еще стоит упомянуть недавно представленный нами первый в мире профессиональный аккумуляторный аппарат высокого давления.

Литий-ионные аккумуляторы пока еще не сдают свои позиции, но появление новых аккумуляторных технологий – лишь вопрос времени. Как реагирует на это Karcher?

Концепция наших аккумуляторных платформ такова, что новые типы аккумуляторных элементов без проблем вписываются в существующий интерфейс. Для нас это было очень важно – ведь мы всегда стремимся предложить клиентам перспективные решения, ориентированные на будущее.