12.1 C
София

Литиево-йонните батерии изглежда няма да бъдат заменени скоро

Най-четени

Даниел Десподовhttps://www.kaldata.com/
Ежедневен автор на новини. Увличам се от съвременни технологии, оръжие, информационна безопасност, спорт, наука и концепцията Internet of Things.

В края на миналата зима в Калифорния приключи строежа и бе стартирана работата на едно от най-големите в света акумулаторни хранилища за електрическа енергия. То се състои от многобройни акумулаторни блокове, като мощното хранилище може да осигури електроенергия за 225 хиляди домакинства в продължение на четири часа. На практика тази конструкция върши същото, което и батериите в нашите смартфони – събира, акумулира и подава електрическа енергия, която по всяко време може да се използва от хората.

Уникалната простота

Всички вече добре познават литиево-йонните батерии, понеже те се използват навсякъде в битовата техника, в електронните и в компютърните устройства. Тези акумулаторни батерии имат два електрода – положителен и отрицателен, катод и анод, плюс и минус. Към днешен ден най-популярен материал за минуса е графитът, а за плюса – кобалтовият оксид.

В графитния капан на минуса попадат атомите на лития. Те имат голям брой електрони – отрицателните частици, които кобалтовият оксид привлича към себе си, но не успява да ги привлече, понеже на този процес пречи течен електролит или сепаратор, напоен с течен електролит, който пропуска единствено положителния заряд.

Анодът и катодът на акумулаторната батерия се свързват със съответните изводи в корпуса на смартфона. След като възникне възможност за протичане на ток, електроните на лития напускат капана и чрез дълъг път през всичките компоненти на смартфона, се устремяват към кобалта на плюса. В същото време литият, който е изгубил електрон, се превръща в положителен йон, който свободно преминава чрез електролита и се присъединява към кобалтовия оксид.

Такава е в общи линии работата на този тип акумулаторни батерии. Когато всичките йони на лития преминат към плюса, то на минуса не остават негови електрони и съответно спира подаването на електрически ток. Когато включим батерията да се зарежда, започва химична реакция – електроните на лития се завръщат в капана на графитния анод и след това всичко започва наново.

Литиево-йонна батерия още през 1991 година представи на пазара японската компания Sony за своята любителска видеокамера Sony CCD-TR1. Оттогава захранващите източници от подобен тип започнаха да стават изключително популярни, технологиите за тяхното производство непрекъснато се усъвършенства, но като цяло тяхната конструкция не се е променила.

Мащабирането

Литиево-йонни батерии се използват в едно от най-големите хранилища за електрическа енергия в света, което е изградено в Мос Ландинг на брега на Калифорния. То бе изградено от компанията Vistra Zero на мястото на бивша електроцентрала, работеща с природен газ. През зимата на 2020 година тази гигантска литиево-йонна батерия с капацитет 300 мегавата бе включена към местната електрическа мрежа.

В този обект са инсталирани над 4500 шкафа за акумулаторни батерии. Във всеки от тях са поставени по 22 акумулаторни блока. Те улавят излишъка от електрическа енергия в мрежата по време на часовете с ниска консумация и я връщат, когато необходимостта от електроенергия е максимална. Постигнатото е впечатляващо достижение в прехода към екологично чистата енергия на близкото бъдеще.

Шкафовете за акумулаторните батерии, както и самите захранващи елементи са произведени от южнокорейската компания LG Chem, която е химическият отдел на гиганта LG Group. Нейните специалисти още от 1995 година разработват литиево-йонни батерии, а през 1999-та започва тяхното производство. През това време учените на LG Chem минимизирха неизползваното пространство в батериите, увеличиха плътността на тяхната енергия и добавиха сепаратор с нанопокритие от керамични частици. Всичко това е опаковано в един общ модул, като тези модули запълват шкафовете. Самите шкафове са поставени в контейнери, които тежат 60 тона и надеждно се заключват. Тези контейнери вече свободно се продават на пазара.

На практика това отново е една литиево-йонна батерия, само че с огромен мащаб и големи размери.

Недостатъците

Литиево-йонните батерии станаха изключително популярни, понеже предлагат висок капацитет, компактни са и не са много скъпи. Но те имат редица недостатъци.

Без използването на специализиран контролер батерията от този тип се презарежда, започва да прегрява, издува се и обикновено всичко това привършва с взрив и самозапалване. Механичните повреди също могат да доведат до самозапалване на този захранващ елемент. Навярно всички помнят какво се случи със смартфоните Galaxy Note 7. Тези батерии бяха разработени от Samsung и имаха сериозен конструктивен недостатък. Електродите в горния десен край на батерията при поставянето в смартфона се огъваха, като това водеше до силно повишаване на тяхната температура и в крайна сметка до възникването на късо съединение.

Въпреки че литиево-йонните батерии остаряват и деградират, самостоятелно се разреждат и са чувствителни към температурата, те си остават най-популярни за потребителската електроника захранващи елементи.

Тук трябва да споменем, че литиево-йонните батерии са различни. За мобилната техника се използват батерии с кобалт. Големите литиево-йонни батерии с титан се използват предимно в електрическите автобуси, понеже са много по-дълготрайни, безопасни и работят при широк температурен диапазон. Но са скъпи.

Литий-фосфатните батерии имат по-дълъг технологичен живот, по-стабилно напрежение на разреждане и са съществено по-безопасни, но техният капацитет е по-нисък. Ето защо те се използват предимно в енергетиката и в някои видове транспорт.

Всичките видове литиево-йонни акумулаторни батерии си имат своите плюсове и минуси, които определят сферата на тяхното използване. На пръв поглед изглежда, че революционен пробив в тази област обикновеният потребител няма да види, но сме свидетели как през последните десетина години техният капацитет нарасна, като едновременно с това размерите им намаляха. Процесът в тази област е бавен и на пръв поглед незабележим.

Новите технологии

През 2004 година компанията Toshiba представи горивна клетка, в която се използва метанол. Тази батерия с тегло 9 грама бе предвидена да се използва в неголемите мобилни устройства – в аудио плеърите, в безжичните слушалки и други подобни. За 20 часа работа на един обикновен МР3 плеър са необходими само два кубически сантиметра метанол с висока концентрация.

Зареждането на батериите с подобен вид горивни елементи става на практика мигновено, като самата батерия е доста компактна. Само че на потребителите се налага да носят със себе си стъклен или друг съд с метанол и идеята не се наложи.

През 2007 година стартиращата компания Leyden Energy обеща литиево-йонна батерия от ново поколение. В нея се използват силиций като и нов тип електролит, благодарение на което енергийната плътност осезателно се увеличава, като едновременно с това този захранващи елемент може да работи при широк температурен диапазон. През 2011 година започна използването на тази батерия в лаптопите, но тя се оказа по-скъпа в сравнение със своя традиционен конкурент. След това компанията се опита да предложи своите батерии за електрическите велосипеди и електромобилите, но не се получи. Патентите бяха продадени, а стартъпът престана да съществува.

През изтеклите години бяха представени и редица подобни прототипи, които не успяха да се наложат на пазара, понеже се налага изграждането на нова инфраструктура за тяхното производство, а това ги оскъпява и в условията на жестока конкуренция на днешния пазар, те не успяха да се наложат.

Твърдият електролит

Има две великолепни идеи, които имат потенциала да променят пазарна за акумулаторни батерии.

Стартиращата компания SolidEnergy Systems от 2012 година работи върху литиево-метални батерии. Вместо графит или силиций, който покрива анода, в тях се използва много тънко литий-метално фолио. Това са така наречените Li-Metal акумулаторни батерии, експериментите с които започват още през 1980-те години. Но от тях се отказаха, понеже в металния литий се образуват дендрити, които успяват да стигнат до сепаратора, да го пробият, а това води до късо съединение и взрив.

SolidEnergy представиха специално твърдо защитно покритие от полимер и неорганични материали, което се нанася на повърхността на фолиото и възпрепятства появата и ръста на литиев мъх в тези батерии, от който израстват дендритите. Това покритие пропуска йоните на лития и не пречи на батерията да работи нормално.

В резултат от използването на тези технологии акумулаторните батерии от този тип имат същия капацитет като стандартните литиево-йонни батерии, но техните размери са двойно по-малки.

В този стартъп огромни инвестиции направиха General Motors и Hyundai, които възнамеряват да използват този нов тип акумулаторни батерии в своите електромобили. Процесът ще се забави, понеже първата поточна линия за тяхното производство ще бъде създадена в началото на 2023 година. Напълно е възможно след около пет години да видим тези батерии не само в електромобилите, но и в потребителската електроника – смартфоните, таблетите, лаптопите и т.н.

BMW и Ford инвестираха в германската Solid Power, която създаде акумулаторна батерия с твърд електролит. В нея няма какъвто и да било течен електролит и по тази причина тя е много по-безопасна от стандартните литиево-йонни батерии. Използваните в производството на този нов тип захранващи елементи нови технологии са защитени с патенти, които се считат за фирмена тайна и информацията за тях не е много. Известно е, че първата поточна линия за тяхното производство трябва да бъде изградена към средата на 2022 година.

Наистина, докато все още няма изградена нито една поточна линия за производството на някои от новите типове акумулаторни батерии, не можем да говорим, че е осъществен някакъв значителен пробив в тази област. Това е важно, защото има и редица лоши примери. Показателно е случилото се с американската компания QuantumScape, която миналата есен обяви, че е създала огнеупорни батерии с твърд електролит, които след 1000 цикъла на зареждане и разреждане запазват 80% от своя капацитет. Само за един месец акциите на тази компания нараснаха със сериозните 256%. След това се оказа, че е създаден само прототип с големина колкото батерия за смарт часовник. Нещо повече, тези батерии никога не са тествани извън лабораториите. Очевидно е, че към някои нови разработки в света на акумулаторните батерии трябва да се отнесем по-скептично.

Но сериозни пробиви в тази област все пак има. Така например японската компания Hitachi Zosen този пролет показа акумулаторна батерия с твърд електролит и капацитет 1000 mAh, която може да работи в температурния диапазон от -40 до +100 градуса по Целзий. Само че първоначално тя ще бъде използвана в космоса и в битовата електроника ще можем да я видим след години.

Друго интересно решение предложи отново японската Murata Manufacturing, която възнамерява да произведе първите партиди в своите иновативни акумулаторни батерии с твърд електролит още тази есен и възнамерява да разшири тяхното производство през 2022 година. Плановете са да бъдат произвеждани 100 хиляди от тези батерии месечно. Но засега няма информация за техните точни технически характеристики и цена, и няма как да се прецени дали те ще бъдат реален конкурент на стандартните литиево-йонни батерии.

По всичко личи, че литиево-йонните батерии, с които всички сме свикнали, няма да бъдат заменени много скоро. Очаква се в тяхното производство да започнат да се използват нови технологии и техните параметри да бъдат подобрени. Първото серийно производство на акумулаторни батерии от нов тип трябва да започне най-рано след година-година и половина, но първоначално те ще се използват в космоса и в медицината. Така че през близките пет години едва ли в нашите смартфони и лаптопи ще видим батерии от нов тип, които ще ни избавят от необходимостта да зареждаме нашите мобилни устройства всеки ден.

Предишна новинаWinMerge 2.16.14 Stable
Следваща новинаNullsoft Scriptable Install System 3.07
Абонирай се
Извести ме за
2 Коментара
стари
нови оценка
Отзиви
Всички коментари

Нови ревюта

Sony WF-1000XM4 – най-добре звучащите шумопотискащи безжични слушалки

Новите шумопотискащи слушалки от висок клас на Sony бележат голям напредък спрямо предишното поколение на марката, но и спрямо конкуренцията. Това са Sony WF-1000XM4....

Подобни новини