Акб развитие – IBM создала емкий, безопасный и дешевый аккумулятор со сверхбыстрой зарядкой
- 03.12.2020
Термины торгового представителя, определения — sku, fmcg, smart, out of stock
FMCG — товары повседневного спроса (от англ. fast moving consumer goods)
B2B — бизнес для бизнеса, в качестве продавца и покупателя здесь организации и индивидуальные предприниматели (от англ. business-to-business)
B2C — Бизнес для потребителя, в качестве продавца выступает организация, а в качестве потребителя конечный потребитель (от англ. Business-to-consumer)
On-trade — канал продаж, в котором потребление товаров происходит в месте покупки
SKU — одна единица складского учета (один вид товара)
OUT OF STOCK — SKU закончилась в точке
FACING — одна единица продукции на полке (к примеру, если на витрине стоят 3 разных пачки сигарет — у каждой пачки по одному фэйсингу, если же стоят три одинаковых пачки — это тройной фэйсинг)
POSM — рекламные материалы (от англ. Point Of Sale Material)
FIFO — первый пришел, первый ушел, это организация товарооборота, согласно которой реализация товаров с более ранним сроком годности должна реализовываться раньше (от англ. First in firs out)
SMART — набор составляющих позволяющих правильно поставить цель:
Specific – конкретная
Measurable – измеримая
Agreed – согласованная
Realistic — достижимая
Timed — ограниченная по времени
ЛПР — лицо принимающее решения
Доля полки — процент от всех мест продаж в ТТ, занимаемой нашей продукцией
ТТ
АКБ — активная клиентская база
Мерчендайзинг — действия по размещению продукции, оборудования и рекламных материалов, направленные на увеличение продаж из торговой точки
какими могут быть аккумуляторы будущего / Mail.ru Group corporate blog / Habr
В последние годы мы часто слышали, что вот-вот — и человечество получит аккумуляторы, которые будут способны питать наши гаджеты неделями, а то и месяцами, при этом очень компактные и быстрозаряжаемые. Но воз и ныне там. Почему до сих пор не появились более эффективные аккумуляторы и какие существуют разработки в мире, читайте под катом.
Сегодня ряд стартапов близки к созданию безопасных компактных аккумуляторов со стоимостью хранения энергии около 100 долларов за кВт⋅ч. Это позволило бы решить проблему электропитания в режиме 24/7 и во многих случаях перейти на возобновляемые источники энергии, а заодно снизило бы вес и стоимость электромобилей.
Но все эти разработки крайне медленно приближаются к коммерческому уровню, что не позволяет ускорить переход с ископаемых на возобновляемые источники. Даже Илон Маск, который любит смелые обещания, был вынужден признать, что его автомобильное подразделение постепенно улучшает литий-ионные аккумуляторы, а не создаёт прорывные технологии.
Многие разработчики верят, что будущие аккумуляторы станут иметь совсем другую форму, строение и химический состав по сравнению с литий-ионными, которые в последнее десятилетие вытеснили иные технологии со многих рынков.
Основатель компании SolidEnergy Systems Кичао Ху (Qichao Hu), в течение десяти лет разрабатывавший литий-металлический аккумулятор (анод металлический, а не графитовый, как в традиционных литий-ионных), утверждает, что главная проблема при создании новых технологий хранения энергии заключается в том, что при улучшении какого-то одного параметра ухудшаются остальные. К тому же сегодня существует столько разработок, авторы которых громко утверждают о своём превосходстве, что стартапам очень трудно убедить потенциальных инвесторов и привлечь достаточно средств для продолжения исследований.
Согласно отчёту Lux Research, за последние 8—9 лет компания вложила в исследование хранения энергии около 4 млрд долларов, из которых стартапам, создающим «технологии нового поколения», в среднем досталось по 40 млн долларов. При этом Tesla вложила около 5 млрд долларов в Gigafactory, занимающуюся производством литий-ионных аккумуляторов. Такой разрыв очень трудно преодолеть.
По словам Герда Седера (Gerd Ceder), профессора в области материаловедения Калифорнийского университета в Беркли, создание маленькой производственной линии и решение всех производственных проблем для налаживания выпуска аккумуляторов обходится примерно в 500 млн долларов. Автопроизводители могут годами тестировать новые аккумуляторные технологии, прежде чем решить, приобретать ли создавшие их стартапы. Даже если новая технология выходит на рынок, нужно преодолеть опасный период наращивания объёмов и поиска клиентов. К примеру, компании Leyden Energy и A123 Systems потерпели неудачу, несмотря на перспективность их продуктов, поскольку финансовые потребности оказались выше расчётных, а спрос не оправдал ожиданий. Ещё два стартапа, Seeo и Sakti3, не успели выйти на массовые объёмы производства и значительный уровень дохода и были куплены за гораздо меньшие суммы, чем ожидали первичные инвесторы.
В то же время три основных мировых производителя аккумуляторов — Samsung, LG и Panasonic — не слишком заинтересованы в появлении инноваций и радикальных переменах, они предпочитают незначительно улучшать свою продукцию. Так что все стартапы, предлагающие «прорывные технологии», сталкиваются с основной проблемой, о которой они предпочитают не упоминать: литий-ионные аккумуляторы, разработанные в конце 1970-х, продолжают совершенствоваться.
Но всё же — какие технологии могут прийти на смену вездесущим литий-ионным аккумуляторам?
Литий-воздушные «дышащие» аккумуляторы
В литий-воздушных аккумуляторах в качестве окислителя используется кислород. Потенциально они могут быть в разы дешевле и легче литий-ионных аккумуляторов, а их ёмкость способна оказаться гораздо больше при сравнимых размерах. Главные проблемы технологии: значительная потеря энергии за счёт теплового рассеивания при зарядке (до 30 %) и относительно быстрая деградация ёмкости. Но есть надежда, что в течение 5—10 лет эти проблемы удастся решить. Например, в прошлом году была представлена новая разновидность литий-воздушной технологии — аккумулятор с нанолитическим катодом.
Зарядное устройство Bioo
Это устройство в виде специального горшка для растений, использующего энергию фотосинтеза для зарядки мобильных гаджетов. Причём оно уже доступно в продаже. Устройство может обеспечивать две-три сессии зарядки в день с напряжением 3,5 В и силой тока 0,5 А. Органические материалы в горшке взаимодействуют с водой и продуктами реакции фотосинтеза, в результате получается достаточно энергии для зарядки смартфонов и планшетов.
Аккумуляторы с золотыми нанопроводниками
В Калифорнийском университете в Ирвайне разработали нанопроводниковые аккумуляторы, которые могут выдерживать более 200 тыс. циклов зарядки в течение трёх месяцев без каких-либо признаков деградации ёмкости. Это позволит многократно увеличить жизненный цикл систем питания в критически важных системах и потребительской электронике.
Нанопроводники в тысячи раз тоньше человеческого волоса обещают светлое будущее. В своей разработке учёные применили золотые провода в оболочке из диоксида марганца, которые помещены в гелеобразный электролит. Это предотвращает разрушение нанопроводников при каждом цикле зарядки.
Магниевые аккумуляторы
В Toyota работают над использованием магния в аккумуляторах. Это позволит создавать маленькие, плотно упакованные модули, которым не нужны защитные корпуса. В долгосрочной перспективе такие аккумуляторы могут быть дешевле и компактнее литий-ионных. Правда, случится это ещё не скоро. Если случится.
Твердотельные аккумуляторы
В обычных литий-ионных аккумуляторах в качестве среды для переноса заряженных частиц между электродами используется жидкий легковоспламеняющийся электролит, постепенно приводящий к деградации аккумулятора.
Этого недостатка лишены твердотельные литий-ионные аккумуляторы, которые сегодня считаются одними из самых перспективных. В частности, разработчики Toyota опубликовали научную работу, в которой описали свои эксперименты с сульфидными сверхионными проводниками. Если у них всё получится, то будут созданы аккумуляторы на уровне суперконденсаторов — они станут полностью заряжаться или разряжаться всего за семь минут. Идеальный вариант для электромобилей. А благодаря твердотельной структуре такие аккумуляторы будут гораздо стабильнее и безопаснее современных литий-ионных. Расширится и их рабочий температурный диапазон — от –30 до +100 градусов по Цельсию.
Учёные из Массачусетского технологического института в содружестве с Samsung также разработали твердотельные аккумуляторы, превосходящие по своим характеристикам современные литий-ионные. Они безопаснее, энергоёмкость выше на 20—30 %, да к тому же выдерживают сотни тысяч циклов перезарядки. Да ещё и не пожароопасны.
Топливные ячейки
Совершенствование топливных ячеек может привести к тому, что смартфоны мы будем заряжать раз в неделю, а дроны станут летать дольше часа. Учёные из Пхоханского университета науки и технологии (Южная Корея) создали ячейку, в которой объединили пористые элементы из нержавеющей стали с тонкоплёночным электролитом и электродами с минимальной теплоёмкостью. Конструкция оказалась надёжнее литий-ионных аккумуляторов и работает дольше них. Не исключено, что разработка будет внедрена в коммерческие продукты, в первую очередь в смартфоны Samsung.
Графеновые автомобильные аккумуляторы
Многие специалисты считают, что будущее — за графеновыми аккумуляторами. В компании Graphenano разработали аккумулятор Grabat, который может обеспечить запас хода электромобиля до 800 км. Разработчики утверждают, что аккумулятор заряжается всего за несколько минут — скорость зарядки/разрядки в 33 раза выше, чем у литий-ионных. Быстрая разрядка особенно важна для обеспечения высокой динамики разгона электромобилей.
Ёмкость 2,3-вольтового Grabat огромна: около 1000 Вт⋅ч/кг. Для сравнения, у лучших образцов литий-ионных аккумуляторов — на уровне 180 Вт⋅ч/кг.
Микросуперконденсаторы, изготовленные с помощью лазера
Учёные из Университета Райса добились прогресса в разработке микросуперконденсаторов. Один из главных недостатков технологии — дороговизна изготовления, но применение лазера может привести к существенному удешевлению. Электроды для конденсаторов вырезаются лазером из пластикового листа, что многократно снижает трудоёмкость производства. Такие аккумуляторы могут заряжаться в 50 раз быстрее литий-ионных, а разряжаются медленнее используемых сегодня суперконденсаторов. К тому же они надёжны, в ходе экспериментов продолжали работать даже после 10 тыс. сгибаний.
Натрий-ионные аккумуляторы
Группа французских исследователей и компаний RS2E разработала натрий-ионные аккумуляторы для ноутбуков, в которых используется обычная соль. Принцип работы и процесс изготовления держатся в секрете. Ёмкость 6,5-сантиметрового аккумулятора — 90 Вт⋅ч/кг, что сравнимо с массовыми литий-ионными, но он выдерживает пока не более 2 тыс. циклов зарядки.
Пенные аккумуляторы
Другая тенденция в разработке технологий хранения энергии — создание трёхмерных структур. В частности, компания Prieto создала аккумулятор на основе субстрата пенометалла (меди). Здесь нет легковоспламеняющегося электролита, у такого аккумулятора большой ресурс, он быстрее заряжается, его плотность в пять раз выше, а также он дешевле и меньше современных аккумуляторов. В Prieto надеются сначала внедрить свою разработку в носимую электронику, но утверждают, что технологию можно будет распространить шире: использовать и в смартфонах, и даже в автомобилях.
Быстрозаряжаемый «наножелток» повышенной ёмкости
Ещё одна разработка Массачусетского технологического института — наночастицы для аккумуляторов: полая оболочка из диоксида титана, внутри которой (как желток в яйце) находится наполнитель из алюминиевой пудры, серной кислоты и оксисульфата титана. Размеры наполнителя могут меняться независимо от оболочки. Применение таких частиц позволило в три раза увеличить ёмкость современных аккумуляторов, а длительность полной зарядки снизилась до шести минут. Также снизилась скорость деградации аккумулятора. Вишенка на торте — дешевизна производства и простота масштабирования.
Алюминий-ионный аккумулятор сверхбыстрой зарядки
В Стэнфорде разработали алюминий-ионный аккумулятор, который полностью заряжается примерно за одну минуту. При этом сам аккумулятор обладает некоторой гибкостью. Главная проблема — удельная ёмкость примерно вдвое ниже, чем у литий-ионных аккумуляторов. Хотя, учитывая скорость зарядки, это не так критично.
Alfa battery — две недели на воде
Если компании Fuji Pigment удастся довести до ума свой алюминий-воздушный аккумулятор Alfa battery, то нас ждёт появление носителей энергии, ёмкость которых в 40 раз больше ёмкости литий-ионных. Более того, аккумулятор перезаряжается доливкой воды, простой или подсоленной. Как утверждают разработчики, на одном заряде Alfa сможет работать до двух недель. Возможно, сначала такие аккумуляторы появятся на электромобилях. Представьте себе автозаправку, на которую вы заезжаете за водой.
Аккумуляторы, которые можно сгибать, как бумагу
Компания Jenax создала гибкий аккумулятор J.Flex, похожий на плотную бумагу. Его даже можно складывать. К тому же он не боится воды и потому очень удобен для использования в одежде. Или представьте себе наручные часы с аккумулятором в виде ремешка. Эта технология позволит и уменьшить размер самих гаджетов, и увеличить носимый объём энергии. Другой сценарий — создание гибких складных смартфонов и планшетов. Нужен экран побольше? Просто разверните сложенный вдвое гаджет.
Как утверждают разработчики, тестовый образец выдерживает 200 тыс. складываний без потери ёмкости.
Эластичные аккумуляторы
Над созданием гибких носителей энергии работают во многих компаниях. А команда учёных из Университета штата Аризона пошла дальше и с помощью особой механической конструкции создала аккумулятор в виде эластичной ленты. Не исключено, что идея будет развита и позволит встраивать аккумуляторы в одежду.
Мочевой аккумулятор
В 2013 году Фонд Билла Гейтса вложился в продолжение исследований Bristol Robotic Laboratory по созданию аккумуляторов, работающих на моче. Весь цимес в использовании «микробных топливных ячеек»: в них содержатся микроорганизмы, расщепляющие мочу и вырабатывающие электричество. Кто знает, возможно, скоро поход в туалет будет не только потребностью, но и в буквальном смысле полезным занятием.
Ryden — углеродные аккумуляторы с быстрой зарядкой
В 2014 году компания Power Japan Plus сообщила о планах по выпуску аккумуляторов, в основе которых лежат углеродные материалы. Их можно было производить на том же оборудовании, что и литий-ионные. Углеродные аккумуляторы должны работать дольше и заряжаться в 20 раз быстрее литий-ионных. Был заявлен ресурс в 3 тыс. циклов зарядки.
Органический аккумулятор, почти даром
В Гарварде была создана технология органических аккумуляторов, стоимость производства которых составляла бы 27 долларов за кВт⋅ч. Это на 96 % дешевле аккумуляторов на основе металлов (порядка 700 долларов за кВт⋅ч). В изобретении применяются молекулы хинонов, практически идентичные тем, что содержатся в ревене. По эффективности органические аккумуляторы не уступают традиционным и могут без проблем масштабироваться до огромных размеров.
Просто добавь песка
Эта технология представляет собой модернизацию литий-ионных аккумуляторов. В Калифорнийском университете в Риверсайде вместо графитовых анодов использовали обожжённую смесь очищенного и измельчённого песка (читай — кварца) с солью и магнием. Это позволило повысить производительность обычных литий-ионных аккумуляторов и примерно втрое увеличить их срок службы.
Быстрозаряжаемые и долгоживущие
В Наньянском технологическом университете (Сингапур) разработали свою модификацию литий-ионного аккумулятора, который заряжается на 70 % за две минуты и служит в 10 раз дольше обычных литий-ионных. В нём анод изготовлен не из графита, а из гелеобразного вещества на основе диоксида титана — дешёвого и широко распространённого сырья.
Аккумуляторы с нанопорами
В Мэрилендском университете в Колледж-Парке создали нанопористую структуру, каждая ячейка которой работает как крохотный аккумулятор. Такой массив заряжается 12 минут, по ёмкости втрое превосходит литий-ионные аккумуляторы такого же размера и выдерживает около 1 тыс. циклов зарядки.
Генерирование электричества
Энергия кожи
Тут речь идёт не столько об аккумуляторах, сколько о способе получения энергии. Теоретически, используя энергию трения носимого устройства (часов, фитнес-трекера) о кожу, можно генерировать электричество. Если технологию удастся достаточно усовершенствовать, то в будущем в некоторых гаджетах аккумуляторы станут работать просто потому, что вы носите их на теле. Прототип такого наногенератора — золотая плёнка толщиной 50 нанометров, нанесённая на силиконовую подложку, содержащую тысячи крошечных ножек, которые увеличивают трение подложки о кожу. В результате возникает трибоэлектрический эффект.
uBeam — зарядка по воздуху
uBeam — любопытный концепт передачи энергии на мобильное устройство с помощью ультразвука. Зарядное устройство испускает ультразвуковые волны, которые улавливаются приёмником на гаджете и преобразуются в электричество. Судя по всему, в основе изобретения лежит пьезоэлектрический эффект: приёмник резонирует под действием ультразвука, и его колебания генерируют энергию.
Схожим путём пошли и учёные из Лондонского университета королевы Марии. Они создали прототип смартфона, который заряжается просто благодаря внешним шумам, в том числе от голосов людей.
StoreDot
Зарядное устройство StoreDot разработано стартапом, появившимся на базе Тель-Авивского университета. Лабораторный образец смог зарядить аккумулятор Samsung Galaxy 4 за 30 секунд. Сообщается, что устройство создано на базе органических полупроводников, изготовленных из пептидов. В конце 2017 года в продажу должен поступить карманный аккумулятор, способный заряжать смартфоны за пять минут.
Прозрачная солнечная панель
В Alcatel был разработан прототип прозрачной солнечной панели, которая помещается поверх экрана, так что телефон можно заряжать, просто положив на солнце. Конечно, концепт не идеален с точки зрения углов обзора и мощности зарядки. Но идея красивая.
Год спустя, в 2014-м, компания Tag Heuer анонсировала новую версию своего телефона для понтов Tag Heuer Meridiist Infinite, у которого между внешним стеклом и самим дисплеем должна была быть проложена прозрачная солнечная панель. Правда, непонятно, дошло ли дело до производства.
IBM создала емкий, безопасный и дешевый аккумулятор со сверхбыстрой зарядкой
5521, Текст: Дмитрий Степанов
Исследовательское подразделение IBM разработало аккумулятор нового типа. Он дешевле существующих литий-ионных аналогов, менее огнеопасны и заряжаются до 80% за пять минут, а компоненты для их производства можно получить из самой обычной морской воды.Аккумуляторы без тяжелых металлов
Специалисты IBM Research разработали аккумулятор из новых материалов, который по ряду характеристик значительно превосходит широко распространенные сегодня литий-ионные батареи. Об этом говорится в сообщении, размещенном в блоге исследовательского подразделения компании (IBM Research) на ее официальном сайте.
В сегодняшних аккумуляторах, которые используются в ряде устройств: от фитнес-браслетов и смартфонов до электромобилей, часто применяются тяжелые металлы, в частности кобальт и никель. Например, в литий-ионных аккумуляторах катод (отрицательный электрод) может выполняться из кобальтата лития или никелата лития. Сами по себе эти металлы могут представлять угрозу как здоровью человека, так и окружающей среде. Кроме того, их запасы ограничены, а при добыче кобальта, по данным Financial Times, используются детский труд.
Новая технология IBM предполагает создание аккумулятора на базе трех новых материалов, среди которых тяжелых металлов нет. Химический состав материалов, из которых выполнены анод, катод и жидкий электролит, исследователи не раскрывают, однако уверяют, что необходимые материалы могут быть получены из обыкновенной морской воды и то, что они значительно дешевле используемых в современных литий-ионных батареях.
Преимущества новой технологии
По словам специалистов IBM Research их разработка превосходит литий-ионную технологию по многим важным параметров. Так, если верить ученым, их аккумулятор сможет заряжаться до уровня 80% за пять минут, при этом вероятность воспламенения такого устройства значительно ниже по сравнению с литий-ионными аналогами. У последних меньшая температура возгорания.
Исследователь, работающий с системой дифференциальной электрохимической масс-спектроскопии в IBM Research, которая измеряет количество газа, выделившегося из элемента батареи во время зарядки/разрядки
Энергетическая плотность новинки сопоставима с передовыми образцами литий-ионных аккумуляторов (более 800 Вт*ч/л), а ее энергоэффективность превышает 90%.
Кроме того, исследователи утверждают, что проведенные ими тесты показали возможность применения этой технологии при изготовлении аккумуляторов с весьма продолжительным сроком службы, однако не приводят каких-либо конкретных данных на этот счет.
Сферы применения аккумуляторов IBM
Исследователи полагают, что продукция на основе разработанной ими технологии может найти применение в энергетике, автомобиле- и авиастроении.
Несмотря на то, что исследования находятся на ранней стадии, IBM Research заключила контракты на совместную разработку нового поколения аккумуляторов и инфраструктуры для их совершенствования и производства с Mercedes-Benz Research, Central Glass (производитель электролитов) и Sidus (производитель аккумуляторных батарей).
Не без помощи искусственного интеллекта
IBM Research также сообщает, что в своей работе команда использует технологию искусственного интеллекта (ИИ), называемую семантическим обогащением. Она применяется для дальнейшего улучшения характеристик батареи путем выявления наиболее подходящих и безопасных материалов.
Альтернативные разработки
Существуют и другие технологии, способные заменить собой литиевые аккумуляторы и положить конец их далеко не самым экологичным и этичным производству и утилизации.
В декабре 2018 г. CNews писал о том, что ученые Иллинойского университета в Чикаго разработали новую технологию производства аккумуляторных батарей для мобильных устройств, в основе которой лежит принцип использования неупорядоченных частиц оксида магния и непосредственно магниевого анода.
Еще одна группа американских ученых, на этот раз из Калифорнийского технологического университета, создала аккумулятор на основе фторидов – химических соединений фтора с другими элементами таблицы Менделеева. Подобные АКБ в теории характеризуются способностью держать заряд до восьми раз дольше в сравнении с литий-ионными и литий-полимерными. Опять же, они намного безопаснее оных ввиду неподверженности влиянию повышенной температуры окружающей среды или нагреву во время подзарядки.
В ноябре 2018 г. стало известно, что в Китае стартовало производство аккумуляторов с твердым электролитом, которые в обозримом будущем могут стать частью мобильной техники и транспортных средств. Предполагалось, что они придут на смену литий-ионным батареям за счет большей компактности и безопасности.
Развитие аккумуляторных батарей
Свинцовые аккумуляторные батареи известны уже сто пятьдесят лет. Однако и сегодня они являются наиболее массовым и дешёвым из химических источников тока, как благодаря относительной дешевизне применяемых для их производства материалов, так и высокой степени автоматизации современных аккумуляторных производств.
Первая свинцовая аккумуляторная батарея, которую французский учёный Гастон Планте (1834-1889) изготовил и подарил в 1860 году Французской Академии наук, имела общую активную поверхность (площадь) электродов 10 м2. Она собиралась из электродов поверхностного типа, которые имели очень большую массу и требовали длительных формировочных циклов, с периодическим изменением полярности электродов. Этот процесс продолжался от нескольких месяцев до двух лет.
Создание в 1881 году Фолькмаром (1847-1884) пластин на решётчатой основе стало той базой, на которой очень активно и успешно начал развиваться наиболее распространённый и весьма эффективный вид аккумуляторов.
За время своего существования технические характеристики свинцовых аккумуляторов с решётчатыми пастированными (намазными) пластинами существенно изменились, как в отношении их качественных показателей, так и в отношении долговечности. Лучшие образцы конца XIX века имели удельную энергию по массе, равную 7-8 Вт-ч/кг при длительном разряде, и наработку около 100 циклов (заряд-разряд). Лучшие современные образцы стартерных батарей имеют удельную энергию 40-47 Вт-ч/кг, а наработка в зависимости от исполнения составляет 200-300 циклов, причём батареи с большей удельной энергией имеют несколько меньшую долговечность.
В нашей стране аккумуляторная промышленность начала активно развиваться параллельно с развитием автомобилестроения в тридцатые годы и к началу 1940 года сложилась в самостоятельную отрасль народного хозяйства, которая имела ряд заводов, свои квалифицированные научно-технические и производственные кадры. В этот период, вместе с созданием отечественных автомобилей и тракторов, было создано большое количество новых типов аккумуляторных батарей. Это были первые батареи для мотоциклов, стартерные аккумуляторные батареи для автотракторной техники в корпусах из асфальтопековой массы и эбонита (моноблочного типа).
В послевоенный период, после восстановления эвакуированных заводов, начались работы по их реконструкции, оснащению новым механизированным и прогрессивным на то время оборудованием. Одновременно создавались и запускались в серийное производство более совершенные типы аккумуляторных батарей для новых видов автотракторной техники. На смену деревянным сепараторам пришли более долговечные синтетические из поливинилхлорида и каучука («мипласт» и «мипор»).
В шестидесятые годы XX столетия, на фоне быстрого прогресса автомобильного и сельскохозяйственного машиностроения, бурного развития автомобильного транспорта, создаётся практически весь современный типоразмерный ряд отечественных стартерных аккумуляторных батарей. Эти батареи выпускались в моноблоках из эбонита и имели комбинированный сепаратор из мипласта и стекловолокна для повышения эксплуатационного срока службы.
Семидесятые годы ознаменовались целым рядом технологических разработок, внедрение которых позволило улучшить качество выпускаемых стартерных аккумуляторных батарей. Разработка и промышленное освоение коррозионностойких сплавов (с добавлением мышьяка) и усовершенствование технологии (с целью повышения коэффициента использования активных масс) позволили примерно на 20% снизить материалоёмкость батарей. Применение синтетических волокон, в качестве добавки в активную массу положительных электродов, позволило отказаться от массового применения сепараторов из стекловолокна без ущерба для долговечности батарей. Это значительно снизило трудоёмкость их сборки. Создание синтетических органических расширителей для отрицательного электрода и эффективных ингибиторов окисления свинца позволило улучшить разрядные характеристики аккумуляторных батарей при отрицательных температурах (что особенно актуально для эксплуатации в условиях наших холодных зимних месяцев) и освоить производство аккумуляторных батарей в сухозаряженном исполнении.
В восьмидесятые годы активно велись работы по разработке и освоению производства современных конструкций батарей в тонкостенных моноблоках из сополимера пропилена с общей крышкой и создание оборудования для их производства. Тогда же были заложены основы и начато производство аккумуляторных батарей с увеличенными межрегламентными сроками. В девяностые годы в России начали осваиваться стартерные батареи с сепараторами-конвертами из микропористого полиэтилена, что значительно повысило их мощность и надёжность.
Прогресс в автомобилестроении ведёт к росту мощности автомобильных двигателей при снижении удельного расхода топлива, в том числе и за счёт повышения степени его сжатия в камере сгорания. Это требует соответствующего увеличения мощности стартерного разряда аккумуляторной батареи. И одновременно с этим, для достижения максимальной экономичности, необходимо снижать удельную массу всех составных частей автомобиля, в том числе и аккумуляторных батарей, масса которых составляет от 15 кг на легковом автомобиле с двигателем до 1,5 л до 120 кг (две батареи по 12 В) на магистральных автопоездах. Вместе с тем, создатели современных автомобилей стремятся минимизировать объём работ по обслуживанию отдельных его элементов в процессе эксплуатации. Появляется всё больше узлов и комплектующих изделий в закрытом исполнении, исключающем возможность доступа в них со стороны водителя. Такие же требования с конца девяностых годов XX столетия стали применять ведущие мировые автопроизводители и к стартерным аккумуляторным батареям. Поэтому задача дальнейшего совершенствования свинцовых стартерных аккумуляторных батарей, являющихся в настоящее время главным источником электрической энергии для запуска двигателей внутреннего сгорания, сохраняет свою актуальность и сегодня. В ближайшем будущем ожидается значительное ужесточение требований к автомобильным аккумуляторным батареям по выполнению всех основных потребительских функций. Это связано с планируемым переводом в 2015-2017 годах всех автомобилей, выпускаемых в Западной Европе, на системы, функционирующие в режиме «старт-стоп».
На значительном количестве автотракторной техники стартерная аккумуляторная батарея, после пуска двигателя в начале движения, длительное время работает в условиях непрерывного заряда. К характерным «представителям» данной категории, работающим в таких условиях, можно отнести магистральные грузовики на междугородных грузоперевозках, междугородные автобусы и другие машины, работающие с большими среднесуточными пробегами без частых остановок при относительно стабильном режиме работы двигателя. На этих машинах батареи работают в режиме преобладающей кратковременной стартерной нагрузки с последующим длительным зарядом при постоянном напряжении и конструктивно построены таким образом, чтобы иметь форсированную мощность стартерного разряда при отрицательной температуре.
Другой типичной группой автотракторной техники являются машины для внутригородских перевозок, грузовые и строительно-дорожные машины с агрегатами, имеющими гидравлический привод, радиофицированные такси и другие транспортные средства аналогичного назначения. На них батарея служит не только для пуска двигателя, но и используется как буферный источник питания для покрытия пиковых нагрузок энергопотребления с возможностью глубоких (до 40 % от номинальной ёмкости) разрядов. Создание батарей для такой техники требует несколько иного подхода. Эти батареи должны быть более устойчивы к глубоким разрядам и при этом могут иметь меньшую удельную мощность стартерного разряда (исполнение HD и SHD).
Современное развитие науки и техники позволило начать массовое производство свинцовых батарей закрытого исполнения с регулирующим клапаном (VRLA). В этих батареях удалось реализовать замкнутый кислородный цикл по аналогии со щелочными герметичными аккумуляторами. Благодаря этому, в процессе эксплуатации вода, входящая в состав электролита, почти не разлагается и, следовательно, доливка дистиллированной воды в процессе эксплуатации не требуется. Батареи закрытого исполнения с регулирующим клапаном (VRLA) имеют иммобилизованный (связанный) электролит. Такие батареи нашли применение, в первую очередь там, где требуется обеспечить работоспособность в любом пространственном положении. Это системы резервного и аварийного энергоснабжения, бытовая техника и т.д. Использование аккумуляторных батарей такого типа на современных автомобилях и перспективной технике постоянно расширяется, благодаря созданию систем оптимизации электроснабжения и стабилизации режимов работы бортового электрооборудования.
Развитие конструкций стартерных аккумуляторных батарей
Лучшими для стартерного режима разряда являются аккумуляторные батареи из свинцовых аккумуляторов. Работа свинцового аккумулятора основана на обратимых электрохимических реакциях, в которых участвуют двуокись свинца РbО2 положительного электрода, губчатый свинец Pb отрицательного электрода и электролит (водный раствор серной кислоты Н2SO4). В процессе разряда аккумуляторной батареи активные вещества переходят в сульфат свинца PbSO4 с образованием воды, в результате чего плотность электролита уменьшается. При заряде аккумуляторной батареи активные вещества восстанавливаются.
Аккумуляторные батареи подразделяют по конструктивно-функциональному признаку (ГОСТ 959.0-84):
- обычной конструкции (в моноблоке с ячеечными крышками и перемычками над крышками)
- с общей крышкой (в моноблоке с общей крышкой и межэлементными перемычками под крышкой)
- необслуживаемые (с общей крышкой, не требующие ухода при эксплуатации)
Аккумуляторные батареи для различных типов стартеров имеют свои конструктивные особенности, однако в их устройстве много общего. Батареи сохранили блочную конструкцию и состоят из:
- моноблоков
- крышек
- положительных и отрицательных электродов (пластин), объединенных в полублоки
- сепараторов
- токопроводящих частей
- крепежных деталей
В последние годы технико-экономические показатели стартерных аккумуляторных батарей повышаются за счет применения новых материалов и ряда новых конструктивных решений.
Большое распространение получают необслуживаемые аккумуляторные батареи. Их особенность заключается в том, что решетки пастированных электродов изготавливаются из свинцовых сплавов, не содержащих сурьмы, или малосурьмянистых.
Сурьма улучшает литейные свойства свинцовосурьмянистого сплава, повышает механическую прочность решетки, но оказывает каталитическое воздействие на электролиз воды, снижая напряжение начала газовыделения до рабочих напряжений генераторной установки. В результате в батареях обычной конструкции быстро снижается уровень электролита, выделяется взрывоопасная водородно-кислородная смесь, поэтому необходимо обеспечение интенсивной вентиляции, частого контроля уровня электролита и добавления в него дистиллированной воды. Кроме того, сплав свинца с сурьмой имеет крупнокристаллическую структуру и подвергается коррозионному разрушению. Газообразование практически отсутствует, пока напряжение не станет 2,45 В при изготовлении решеток пластин аккумулятора из свинцово-кальциево-оловянистых или малосурьмянистых (до 2,5 % сурьмы) сплавов. Из-за меньших потерь воды от электролиза (в 15-17 раз) уровень электролита в необслуживаемых батареях контролируют и корректируют не чаще одного раза в год.
Рис. Стартерная аккумуляторная батарея 6СТ-55П: 1 — корпус моноблока; 2 — крышка; 3, 5 — зажимы соответственно со знаками «+» и «-«; 4 — межэлементная перемычка; 6 — пробка; 7 — индикатор уровня жидкости; 8 — сепаратор; 9, 10 — электроды соответственно положительный и отрицательный: 11 — крепежные выступы моноблока; 12 — мостик; 13 — перегородка моноблока.
Положительные и отрицательные электроды в блоках разделены сепараторами из мипора или мипласта. Новым для необслуживаемой аккумуляторной батареи 6СТ-55А является размещение отрицательных электродов в сепараторах-конвертах, образуемых двумя сваренными между собой пластиковыми сепараторами. Сепараторы-конверты позволяют устанавливать блоки электродов непосредственно на дно моноблоков без призм и пространств для шлама между ними. В этом случае при сохранении высоты батареи более чем в 2 раза увеличивается высота h слоя электролита над пластинами в ячейках моноблока и, следовательно, объем электролита, который может быть израсходован в период эксплуатации между доливками в аккумуляторную батарею дистиллированной воды.
Рис. Схемы расположения электродов в аккумуляторных батареях:
а — обычных; б — необслуживаемых; 1 — блок электродов; 2 — зажим; 3 — пробка; 4 — призма моноблока; Аэ — уровень электролита.
Тяжелые и хрупкие эбонитовые и асфальтопековые моноблоки заменяют полипропиленовыми. Высокая прочность полипропилена позволяет уменьшить толщину стенок (до 1,5-2,5 мм) и массу моноблока. Рациональность конструктивной формы моноблоков ведет к снижению гибкости тонких стенок из полипропилена. Достаточная прозрачность полипропилена упрощает контроль уровня электролита в батарее при эксплуатации. Применение моноблоков, крышек и вентиляционных пробок из полимерных материалов повышает удельную энергию батарей и улучшает их эксплуатационные свойства.
В усовершенствованных конструкциях аккумуляторных батарей общие крышки приваривают или приклеивают к моноблокам, а межэлементные перемычки пропускают через перегородки моноблока. Такой способ соединения аккумуляторов в батарею уменьшает расход свинца и снижает падение напряжения в межэлементных перемычках. Использование общей крышки позволяет устанавливать на несколько заливных отверстий один блок пробок.
Унификация размеров аккумуляторных батарей по высоте, ширине или длине позволяет без переделки посадочных мест устанавливать на автомобилях и тракторах одной модели батареи разной емкости, но одинаковой ширины или длины в зависимости от назначения и климатической зоны эксплуатации. При разной длине (ширине) батареи удобно ее крепление в нижней части моноблока за выступы 11.
ГОСТ 959.0-84 предусматривает для автомобилей, тракторов и других машии выпуск свинцовых стартерных аккумуляторных батарей с номинальным напряжением 6 и 12 В и номинальной емкостью 44-215 Ач*. По ГОСТ 959.0-84 введены изменения в условное обозначение типа аккумуляторной батареи. В нем, помимо данных о количестве аккумуляторов в батарее (3 или 6), назначении по функциональному признаку (СТ — стартериая) и номинальной емкости С20 (А*ч), указывают также исполиение: А — с общей крышкой; Н — несухозаряженная; 3 — необслуживаемая, залитая электролитом и полностью заряженная батарея.
Новые виды аккумуляторов приходят на смену литий-ионным батареям
Экология потребления.Наука и техника: Будущее электротранспорта во многом зависит от совершенствования аккумуляторов — они должны весить меньше, заряжаться быстрее и при этом производить больше энергии.
Будущее электротранспорта во многом зависит от совершенствования аккумуляторов — они должны весить меньше, заряжаться быстрее и при этом производить больше энергии. Ученые уже добились некоторых результатов. Команда инженеров создала литий-кислородные батареи, которые не растрачивают энергию впустую и могут служить десятилетиями. А австралийский ученый представил ионистор на основе графена, который может заряжаться миллион раз без потери эффективности.
Литий-кислородные аккумуляторы мало весят и производят много энергии и могли бы стать идеальными комплектующими для электромобилей. Но у таких батарей есть существенный недостаток — они быстро изнашиваются и выделяют слишком много энергии в виде тепла впустую. Новая разработка ученых из МТИ, Аргонской национальной лаборатории и Пекинского университета обещает решить эту проблему.
Созданные командой инженеров литий-кислородные аккумуляторы используют наночастицы, в которых содержится литий и кислород. При этом кислород при изменении состояний сохраняется внутри частицы и не возвращается в газовую фазу. Это отличает разработку от литий-воздушных батарей, которые получают кислород из воздуха и выпускают его в атмосферу во время обратной реакции. Новый подход позволяет сократить потерю энергии (величина электрического напряжения сокращается почти в 5 раз) и увеличить срок службы батареи.
Литий-кислородная технология также хорошо адаптирована к реальным условиям, в отличие от литий-воздушных систем, которые портятся при контакте с влагой и CO2. Кроме того, аккумуляторы на литии и кислороде защищены от избыточной зарядки — как только энергии становится слишком много, батарея переключается на другой тип реакции.
Ученые провели 120 циклов заряда-разряда, при этом производительность снизилась лишь на 2%.
Пока что ученые создали лишь опытный образец аккумулятора, но в течение года они намерены разработать прототип. Для этого не нужны дорогие материалы, а производство во многом схоже с производством традиционных литий-ионных батарей. Если проект будет реализован, то в ближайшем будущем электромобили будут сохранять в два раза больше энергии при той же массе.
Инженер из Технологического университета Суинберна в Австралии решил другую проблему аккумуляторов — скорость их подзарядки. Разработанный им ионистор заряжается практически мгновенно и может использоваться в течение многих лет без потери эффективности.
Хан Линь использовал графен — один из самых прочных материалов на сегодняшний день. За счет структуры, напоминающей соты, графен обладает большой площадью поверхности для хранения энергии. Ученый напечатал графеновые пластины на 3D-принтере — такой способ производства также позволяет сократить затраты и нарастить масштабы.
Созданный ученым ионистор производит столько же энергии на килограмм веса, сколько и литий-ионный аккумуляторы, но заряжается за несколько секунд. При этом вместо лития в нем используется графен, который стоит намного дешевле. По словам Хана Линя, ионистор может проходить миллионы циклов зарядки без потери качества.
Сфера производства аккумуляторов не стоит на месте. Братья Крайзель из Австрии создали новый тип батарей, которые весят почти в два раза меньше аккумуляторов в Tesla Model S.
Норвежские ученые из Университета Осло изобрели аккумулятор, который можно полностью зарядить за полсекунды. Однако их разработка предназначена для городского общественного транспорта, который регулярно делает остановки — на каждой из них автобус будет подзаряжаться и энергии хватит, чтобы добраться до следующей остановки.
Ученые Калифорнийского университета в Ирвайне приблизились к созданию вечной батареи. Они разработали аккумулятор из нанопроволоки, который можно перезаряжать сотни тысяч раз.
А инженеры Университета Райса сумели создать литий-ионный аккумулятор, работающий при температуре 150 градусов Цельсия без потери эффективности. опубликовано econet.ru
Новые технологии производства аккумуляторных батарей
Представители ООО «АйПауэр» посетили Профессиональную Конференцию производителей и поставщиков аккумуляторных батарей в Вене, прошедшую в сентябре 2018 года и подготовили серию аналитических материалов о перспективах развития аккумуляторной отрасли.
Основными факторами, которые повлияют на развитие аккумуляторной отрасли, являются:
1. Развитие электромобилей и рост их доли в общем объеме продаж новых автомобилей.
Ожидается, что к 2020 году будет предложено более 120 новых моделей электромобилей. При этом, по прогнозам, к 2025 году доля электромобилей на Китайском рынке составят около 12% мировых продаж.
2. Повышенные требования к экологической безопасности.
Это коснется как производителей автомобилей, так и производителей аккумуляторных батарей. Основной целью усиления экологических требований является сокращение выбросов СО2. Для достижения этих целей Китай, Индия, Франция и Великобритания готовы отказаться от применения двигателей внутреннего сгорания.
Как это скажется на мировой индустрии производителей аккумуляторных батарей?
В ближайшем будущем ожидается технологический прорыв в области развития аккумуляторных батарей. Одним из главных конкурентов свинцово-кислотных батарей уже сейчас являются литий-ионные. По прогнозам, к 2025 году ожидается снижение их стоимости до 50% и увеличение производительности на 20%. При этом остается большой блок вопросов, связанных с переработкой литий-ионных аккумуляторов. Литий-ионные аккумуляторы сложно переработать, а развитие технологий их рециклинга может существенно повлиять на их стоимость в сторону увеличения. Также не решены вопросы, связанные с запуском двигателя в условиях низких температур, особенно ниже -20 градусов: до сих пор свинцово-кислотные батареи показывают лучшие результаты, чем литий-ионные.
Свинцово-кислотные батареи применяются во всех видах электротранспорта для поддержки безопасности и надежности бортовой сети. Свинцово-кислотные аккумуляторы широко используются в автомобилях со Start-Stop системами, которые направлены на снижение выбросов СО2 от автомобиля и соответствуют целям защиты окружающей среды. Свинцовые батареи являются самым перерабатываем продуктом. Так, по данным Battery Council International в США коэффициент рециклинга свинца составляет 99,3%.
Кроме легкового транспорта существуют и другие области, в которых эффективно применяются свинцовые аккумуляторные батареи: для свинцово-кислотных технологий есть потенциальный рост на рынке автономных автомобилей. Из-за действующих требований к безопасности для сохранения работоспособности, в случае поломки одной из них, необходимо иметь две независимые друг от друга системы 12V батарей.
Свинцово-кислотные аккумуляторы утилизируются и повторно используются в промышленности. Литий же почти невозможно переработать и обезопасить, также он имеет высокую цену и демонстрирует неустойчивую работу в условиях низких температур.
Таким образом, благодаря своим положительным свойствам, свинец будет продолжать играть значительную роль на рынке аккумуляторных батарей, хоть и не будет являться лидером.
