В чем отличие кремниевого аккумулятора от обычного

Все в порядке, но.

Этот текст мало кто будет читать и мы можем написать здесь все, что угодно, например.
Вы живете в неведении. Роботы уже вторглись в нашу жизнь и быстро захватывают мир, но мы встали на светлый путь и боремся за выживание человечества. А если серьезно, то.

В целях обеспечения безопасности сайта от кибератак нам необходимо убедиться, что вы человек. Если данная страница выводится вам часто, есть вероятность, что ваш компьютер заражен или вы используете для доступа IP адрес зараженных компьютеров.

Если это ваш частный компьютер и вы пытаетесь зайти на сайт, например, из дома — мы рекомендуем вам проверить ваш компьютер на наличие вирусов.

Если вы пытаетесь зайти на сайт, например, с работы или открытых сетей — вам необходимо обратиться с системному администратору и сообщить, что о возможном заражении компьютеров в вашей сети.

В чем отличие кремниевого аккумулятора от обычного

Низкая плотность энергии аккумуляторных батарей является одним из самых больших препятствий для повсеместной электрификации транспортных средств. Современные литий-ионные аккумуляторы, используемые в большинстве моделей электромобилей, обычно составляют значительный процент от веса электромобиля. Ford F-150 Lightning, например, весит около 2950 килограмм. Одна только аккумуляторная батарея электрического пикапа весит 816 килограмм. Большой вес батарей увеличивает затраты и уменьшает запас хода.

Mercedes-Benz EQG 2024 года будет оснащен технологией аккумуляторов с кремниевым анодом

реклама

Однако кремниевые анодные аккумуляторные батареи могут кардинально изменить характер транспорта с электрическим приводом. Максимальные пробег за одну зарядку с новым типом аккумулятора увеличивается в более чем 1,5 раза. А это очень существенно.

В батареях с кремниевым анодом графитовый анод литий-ионного аккумулятора заменяется анодом из кремния. Компания Amprius Technologies заявляет, что ее кремниевые анодные батареи будут иметь плотность энергии 450 ватт-часов на килограмм. Обычные литий-ионные аккумуляторы имеют плотность энергии 270 Втч / кг.

Основной проблемой кремниевых анодных батарей является растрескивание. Разбухание батареи всего за несколько циклов зарядки-разрядки приводит к растрескиванию элементов. Тем не менее, лаборатории несколько компаний работают над решением этой проблемы. Компании Porsche и Mercedes осуществили инвестиции в производителей, которые ведут разработки аккумуляторов с кремниевым анодом. Mercedes-Benz EQG 2024 года станет первым электромобилем, оснащенным технологией аккумуляторов с кремниевым анодом.

Литий-ионные аккумуляторы стали надежнее и эффективнее благодаря кремнию

Современные литий-ионные батареи состоят из пары электродов и раствора электролита, позволяющего переносить между ними ионы лития. При этом один из этих электродов, называемый анодом, изготовлен из графита. Сочетание дешевизны и простоты изготовления хорошо послужило этим устройствам и привело к их применению во всех сферах, от смартфонов до ноутбуков и электромобилей. Однако ученые считают, что потенциал подобной системы еще выше.

«Когда батарея заряжается, ионы лития вынуждены перемещаться с одной стороны батареи — катода — через раствор электролита на другую сторону батареи — анод», — поясняет д-р Марта Харо, ведущий автор нового исследования. «Затем, по мере использования батареи, ионы лития перемещаются обратно в катод, высвобождая электрический ток. Но в графитовых анодах для хранения одного иона лития необходимо шесть атомов углерода, поэтому удельная энергия этих батарей невысока».

Между тем использование кремния вместо графита может значительно повысить плотность энергии, поскольку каждый атом кремния может связываться с четырьмя ионами лития. Но усилия по достижению этого до сих пор наталкивались на проблемы со стабильностью, поскольку кремний не обладает такой же прочностью, как графит, имеет тенденцию расширяться, сжиматься и разламываться при включении батареи.

«Кремниевые аноды могут хранить в 10 раз больше заряда в заданном объеме, чем графитовые аноды. Проблема в том, что по мере того, как ионы лития перемещаются в анод, изменение объема очень велико, примерно до 400%, что приводит к разрушению и поломке электрода», — пишут ученые.

Харо и группа исследователей из Окинавского института науки и технологий аспирантуры (OIST) изучают технологию, в которой используется структура, похожая на торт, со слоями кремния, помещенными между металлическими наночастицами. Команда экспериментировала со слоями кремния разной толщины и нашла золотую середину, придающую материалу очень полезные свойства.

«Материал постепенно становился жестче, но затем жесткость быстро уменьшалась при дальнейшем увеличении толщины кремниевого слоя», — рассказал еще один автор исследования, Тео Булумис. «На тот момент мы не знали фундаментальной причины того, почему это происходит».

При более внимательном рассмотрении выяснилось, что когда атомы кремния осаждаются на металлических наночастицах, они образуют крошечные столбики в форме перевернутых конусов. Это означает, что по мере осаждения большего количества атомов кремния и роста столбцов они становятся достаточно широкими, чтобы соприкасаться друг с другом и образовывать дугообразную структуру нанометрового размера.

Когда эти колонны стоят сами по себе, они шатаются и не могут придать аноду никакой прочности или устойчивости, но если они вырастают слишком высокими, это создает губчатую структуру с дырочками. Таким образом, в этом месте кремниевые дуги обеспечивают анод структурным усилением, в котором он нуждается, и испытания показали, что полученная батарея имеет повышенную емкость заряда и способна выдерживать большее количество циклов зарядки.

Хотя это является хорошим предзнаменованием для будущего кремниевых анодов в литиевых батареях, исследователи видят потенциал своих новых аркообразных наноструктур для использования в других областях материаловедения.

«Сводчатая конструкция может быть использована, когда требуются материалы, которые являются прочными и способны выдерживать различные нагрузки, например, для биоимплантатов или для хранения водорода. Точный тип материала, который вам нужен — более прочный или мягкий, более гибкий или менее гибкий — можно изготовить, просто изменив толщину слоя. В этом прелесть наноструктур», — пишут они.

Технологии производства автомобильных аккумуляторных батарей

На автомобили с двигателями внутреннего сгорания устанавливают свинцово-кислотные аккумуляторы. Они остаются недорогими и эффективными источниками энергии, выдающими высокие пусковые токи, что и требуется для запуска моторов. Свинец — один из самых подходящих материалов, который под действием кислоты способен отдавать свои электроны и восстанавливаться в исходное состояние. Эти свойства стали ключевыми для создания тяговых стартерных источников постоянного тока.

История создания свинцово-кислотного аккумулятора

Первый работоспособный аккумулятор из свинца и кислоты изобрел Гастон Планте — французский ученый, являющийся сотрудником лаборатории Александра Беккереля. Он состоял из пластинчатого свинца, свернутого в спираль, между листами был сепаратор из волокна, и вся эта конструкция погружалась в раствор из дистиллированной воды и 10% серной кислоты. Источник показал хорошие результаты, но у него было мало циклов заряда-разряда из-за быстрого разрушения свинцовых пластин. Требовалось повысить его плотность и стойкость к электролиту. В свинцовый сплав стали добавлять сурьму. Она значительно увеличила долговечность АКБ.

Свинцово-сурьмянистые

Вторым поколением автомобильного аккумулятора принято считать свинцово-сурьмянистые. Эти источники питания следует разделять на 2 типа:

1. Сурьмянистые, в сплаве свинца содержится более 5% сурьмы. Эти батареи стали намного выносливее, но из-за большого количества примеси снизился отдаваемый ток. Срок службы таких батарей не превышает 4 лет на старых автомобилях с минимальным количеством бортовой электроники.
2. Малосурьмянистые, второе поколение сурьмянистых батарей. Для производства пластин используется более чистый сплав свинца с добавлением до 5% сурьмы. Получился идеальный сплав и по энергетическим характеристикам, и по стойкости к электрохимической коррозии. Срок службы такой свинцово-кислотной батареи — до 5 лет на машинах с наименьшим количеством электрического оборудования.

Конструкция свинцово-сурьмянистых АКБ ничем не отличается от первых вариантов источников питания. Имеется пластиковый корпус, разделенный на 6 камер перегородками. В каждой нише расположена энергетическая ячейка, состоящая из положительных и отрицательных пластин, разделенных листом диэлектрика, являющегося сепаратором. Каждая из пластин представляет собой решетку из свинцово-сурьмянистого сплава, заполненная специальной пастой, представляющей собой смесь из оксида свинца и легирующей массы. Для работы батареи через пластины пропускают электрический ток, который способствует созданию кристаллической структуры в активной массе, накапливающей положительные и отрицательные заряды.

• более дешевые, чем любые другие, цена отличается почти в 2 раза по сравнению с EFB или кальциевыми;
• свинцово-кислотные батареи можно обслуживать, доливая дистиллированную воду или полностью меняя электролит.

• небольшой срок службы;
• так как есть пробки, то они менее герметичны и при зарядке выделяют вредные летучие вещества;
• больше вероятность вскипания из-за высоких токов зарядки.

Гибридные или Ca+ АКБ

Следующим витком в развитии автомобильных аккумуляторов стали гибридные модели. Они отличаются комбинированной структурой, то есть, отрицательные пластины изготовлены из свинца с кальцием, а положительные – из свинца с сурьмой. Для повышения стойкости к коррозии и улучшении проводимости в сплав вводят разные легирующие добавки. Батарея стала дольше работать, но она дороже малосурьмянистых источников питания.

• увеличилась устойчивость к глубокому разряду;
• стабильный пусковой ток;
• увеличенный срок эксплуатации до 6 лет;
• меньше испарение воды, пробки есть, но доливать воду нужно реже, чем в сурьмянистые;
• активная паста прочнее удерживается на пластинах;
• саморазряд снижен почти вдвое.

• остались пробки для обслуживания, а значит, недостаточная герметичность;
• служит гибридная батарея меньше EFB или Ca/Ca;
• более высокая стоимость по сравнению с малосурьмянистыми.

В конструкции батарей Ca+ или Hybrid используется специальный регулирующий клапан VRLA, который автоматически откроется в случае роста внутреннего давления. Введение кальция способствует снижению электролизных потерь воды, но для ее доливки все равно присутствуют пробки. Когда снизится плотность, можно долить воду до нормального уровня. Работает такой элемент питания до 5-5,5 лет без обслуживания. С обслуживанием можно продлить срок еще на 1-1,5 года.

Ca/Ca или кальциевые

Кальциевые батареи стали следующим этапом в развитии автомобильных источников постоянного тока. Общая конструкция свинцово-кислотного автомобильного аккумулятора не меняется. Имеется корпус из пластика, разделенный на 6 отсеков перегородками. В них расположены энергетические ячейки, собранные из положительной и отрицательной пластин, разделенных сепаратором. Каждая ячейка выдает напряжение 2,1 В, все 6-12,6 В. В качестве электролита используется 30% раствор серной кислоты и дистиллированной воды.

• низкий саморазряд;
• долгий срок эксплуатации — до 6-7 лет;
• стойкость к коррозии;
• защита от перезарядки, не вскипают;
• не нуждаются в обслуживании.

• цена в 1,5-2 раза выше, чем у гибридных;
• чувствительность к глубоким разрядам;
• не годятся для режима работы Старт-Стоп.

К особенностям кальциевых автомобильных батарей относится легирование кальцием пластин обеих полярностей. На самом деле, кальция в нем всего 0,07-0,1%, но эта доля имеет существенное влияние на срок службы и гидролиз. В таблице можно увидеть напряжения гидролиза в малосурьмянистых, гибридных и кальциевых батареях.

Параметры	Кальциевые батареи	Малосурьмянистый	Гибридный
Тип легирования пластина -/+	Ca/Ca	Sb/Sb	Sb/Ca
Начало электролиза, В	15-16	12-12,5	14-15
Обслуживание	частичное	обслуживаемый	обслуживаемый

Аккумуляторы EFB

Еще один вид более совершенных аккумуляторных батарей. В нем по-прежнему электролит остается в жидком виде, но АКБ считают переходной от кальциевых к AGM. Отличительной чертой таких батарей являются пластины, одетые в специальный сепаратор конвертного типа.

• отсутствие сульфации пластин, так как каждый электрод имеет собственный сепаратор;
• исключено короткое замыкание;
• большой срок службы — до 7-8 лет на обычных машинах и до 5 лет на авто с системой Старт-Стоп;
• выдерживают больше циклов заряда-разряда;
• работоспособность в условиях низких температур;
• испарение воды отсутствует, нет пробок для обслуживания.

• стоит дороже, чем кальциевые батареи;
• нельзя обслуживать.

К особенностям автомобильных аккумуляторов, выполненных по технологии EFB, относится неприхотливость к зарядным токам. Если батарея высажена в ноль, то ее можно заряжать большими токами, в том числе 1С. Используемые материалы в производстве батарей не дадут ему перезарядиться или нагреться. В конструкции использованы решетки, чаще выполняемые по технологии штамповки, что обеспечивает более высокие пусковые токи и способствует применению в автомобилях с системами Старт-Стоп. Отсутствие испарения воды обеспечено специальной системой. В крышке имеется лабиринт, в который проникают газы, где они конденсируются в воду и стекают обратно в емкость. Для исключения образования сульфата и разрушения активной пасты положительные пластины снабжены пленками из полистирола, а для предотвращения разделения электролита многие производители устанавливают специальные смешивающие элементы. На корпусе таких аккумуляторов есть индикатор заряда в виде круглого глазка.

Аккумуляторы AGM

Это все тот же свинцово-кислотный аккумулятор с жидким электролитом, но между пластинами имеется стекловолоконный наполнитель. Содержащаяся в нем кислота дает надежный контакт с пластинами и стабильный ионный обмен между ними, а количество электролита вдвое меньше, чем в классической батарее. Они бывают пластинчатыми и спиральными. Второй тип часто можно встретить в США, так как это его родина. Для удаления излишков газа в конструкции также имеется защитный клапан.

• выдерживают большое количество циклов заряда/разряда;
• на 30% выносливее к глубоким разрядам;
• батареи долго способны выдавать большие токи;
• аккумуляторы можно эксплуатировать под любым углом наклона, даже в перевернутом виде;
• отсутствие испарений электролита;
• имеют долгий срок службы, до 10 лет.

• эти аккумуляторы дороже остальных;
• имеют больший вес;
• присутствует чувствительность к перезаряду.

К особенностям автомобильных аккумуляторов AGM, кроме высокого отдаваемого тока относятся также повышенные требования к напряжению зарядки. Для нормального процесса восстановления заряда нужно напряжение в диапазоне 14,1-14,4 В. Также требуется выдерживать ток заряда не более 10% от емкости источника питания. Некоторые производители указывают более точные параметры зарядки своих аккумуляторов на корпусе устройств.

GEL или гелевые

Аккумуляторы GEL стали своего рода работой над ошибками свинцово-кислотных батарей. В них вообще не используется жидкий электролит. Вместо обычного жидкого текучего состояния электролит представлен в виде геля, оксида-кремния, в который добавлен 10% кислотный раствор. Пластины по-прежнему изготовлены из литого или штампованного свинцового сплава, заполненные активной пастой из сульфата свинца. Главной отличительной чертой таких батарей является использование особо чистого свинца для изготовления электродных решеток.

• большое количество циклов заряд/разряд, до 1200;
• возможность долгого хранения без риска сульфации пластин;
• высокая надежность;
• работают до 10-12 лет;
• нет надобности в обслуживании.

• критичность к высоким напряжениям зарядки более 14,5 В;
• невозможность эксплуатировать при температуре ниже -30 градусов;
• ограниченное количество глубоких разрядов;
• непомерно высокая цена, почти вдвое по сравнению с AGM.

Аккумуляторы типа GEL выдерживают высокие рабочие токи, быстро заряжаются, но не годятся для регионов с регулярно низкими температурами. Гель быстрее замерзает, чем чистый кислотный раствор, поэтому он быстрее придет в негодность.

Литий-железо-фосфатные АКБ

Аккумуляторы LiFePO4, или литий-железо-фосфатные, появились совсем недавно. Это новый тип батарей, созданный по совершенно иной технологии. АКБ набирается на любое напряжение и токи из плоских пластинчатых элементов на 3,7 В каждый. Пластины свариваются перемычками и собираются в корпус, в котором имеются высокотоковые клеммы для цепи авто, для зарядки и диагностики. Также ставят ЖК-дисплей для отображения состояния и режимов работы.

• возможность эксплуатации при температуре до +60 градусов;
• большое число циклов заряда, до 8000;
• большой срок службы, до 15 лет;
• минимальный процент саморазрядки.

• повышенная пожароопасность, при повреждении пластины могут загореться;
• невозможность эксплуатации при температуре менее -20 градусов;
• высокая цена;
• не для каждого автомобиля подойдет один из вариантов корпусов.

Это далеко не все типы батарей. Есть также литий-ионные, литий-полимерные. Они набираются из отдельных элементов чаще стандартного типа, например, 18650. Стоят они очень дорого, но обладают высокими эксплуатационными качествами и могут выдавать стабильные пусковые и рабочие токи. Каждый тип батарей имеет свои особенности, которые следует учитывать при выборе.

Если не знаете, какой тип АКБ лучше купить, всегда можно получить квалифицированную консультацию нашего эксперта. Обращайтесь в любое время и получите полные данные по выбранным типам батарей. Предлагаем скидку 10% на покупку нового аккумулятора при сдаче старого и предлагаем услуги установки.