Шелепиха
Можно сказать, что результатом долгой эволюции аккумуляторных батарей стали современные, привычные нам литиевые аккумуляторы. По таким параметрам, как удельная энергоемкость, долговечность, максимальная мощность они ушли далеко вперед от своих предшественников. Но прежде чем появились первые литиевые аккумуляторы, в сфере аккумуляторных батарей было создано огромное количество разработок, некоторые из них оказывались удачными и получали широкое распространение, например, никель-кадмиевые и никель-металлогидридные аккумуляторы, они активно используются и по сей день. Также, помимо откровенно неудачных экспериментов, создавались довольно перспективные типы аккумуляторных батарей которые не получили широкого распространения по тем или иным причинам, о таких разработках мы сейчас и поговорим.
Никель-железные аккумуляторы (NiFe)
В одно время, изобретатель никель-кадмиевых аккумуляторов Вальдемар Юнгнер экспериментировал со своим творением, и пытался использовать железо вместо кадмия, чтобы сэкономить деньги, но низкая эффективность зарядки и газообразование вынудили его отказаться от проекта.
В 1901 году Томас Эдисон продолжил разработку в качестве альтернативы свинцово-кислотным аккумуляторам для электромобилей, заявив о превосходной производительности. Он потерпел неудачу, когда широкое распространение получили автомобили с бензиновым двигателем, и был глубоко разочарован, когда автомобильная промышленность выбрала свинцовые АКБ в качестве стартового аккумулятора.
Никель-железная батарея (NiFe) использует оксидно-гидроксидный катод и железный анод с калий-гидроксидным электролитом для получения номинального напряжения элемента 1,2 В.
Главными преимуществами NiFe на то время являлись большие токи отдачи, а так же устойчивость к вибрациям и высоким температурам. Чаще всего такие батареи использовались на некоторых видах складской техники, например на вилочных погрузчиках.
Никель-железные аккумуляторы обладают низкой удельной энергоемкостью, около 50 Втч / кг, не могут работать корректно при низких температурах и имеют высокий уровень саморазряда, составляющий от 20 до 40 процентов в месяц. Эти недостатки в сочетании с высокой стоимостью производства не позволили конкурировать со свинцово-кислотными АКБ.
Никель-водородные аккумуляторы (NiH)
Когда в 1967 году начались исследования в области никель-металлогидрида, проблемы с нестабильностью металла сместили разработку в сторону никель-водородной батареи (NiH). NiH использует стальную емкость для хранения водородных газов под давлением. Ячейка содержит твердые никелевые электроды, водородные электроды, газовые экраны и электролит, которые заключены в сосуд под давлением.
NiH имеет номинальное напряжение элемента 1,25 В, а удельная энергия составляет 40–75 Вт / кг. Преимуществами являются длительный срок службы даже при полных циклах разряда, минимальный саморазряд и замечательные температурные характеристики от -28 °C до 54 °C. Эти параметры делают NiH идеальным для использования на спутниках. Минусами являются низкая удельная энергия и высокая стоимость. Одна ячейка для спутника стоит тысячи долларов.
Цинк-воздушные аккумуляторы (Zinc-Air)
Воздушно-цинковые батареи вырабатывают электроэнергию в процессе окисления цинка и кислорода из воздуха. Ячейка может выдавать 1,65 В, но 1,4 В и ниже обеспечивает более длительный срок службы. Снятие специального уплотнителя активирует батарею, обеспечивая подачу воздуха, батарея достигает полного рабочего напряжения в течение пяти секунд. После включения аккумулятор не может прекратить свою работу. Такие аккумуляторы не поддаются зарядке в привычном понимании.
Цинк-воздушные батареи имеют сходство с топливным элементом (PEMFC) благодаря использованию кислорода в воздухе в качестве топлива для положительного электрода. Поток воздуха может в определенной степени контролировать скорость реакции. Цинк-воздух считается одноразовой батареей, тем не менее, существуют версии для подзарядки. Перезарядка происходит путем замены отработанных цинковых электродов, которые могут быть в форме пасты из цинкового электролита. В другом типе воздушно-цинковой батареи используются цинковые таблетки. Аккумуляторные воздушно-цинковые батареи были испытаны на электромобилях и сняты с производства.
Цинк-воздух обладает высокой удельной энергоемкостью - 300–400 Вт / ч, производственные затраты умеренные, но маленькие токи отдачи, и соответственно низкая удельная мощность. В запечатанном состоянии саморазряд составляет два процента в год. Цинк-воздух чувствителен к экстремальным температурам и высокой влажности. Загрязнение также влияет на производительность; высокое содержание углекислого газа в окружающей среде снижает производительность за счет увеличения внутреннего сопротивления. Типичные области применения - слуховые аппараты и лампы безопасности на строительных площадках.
Натрий-серные аккумуляторы (NaS)
Натриевые батареи, также известные как тепловые батареи выпускались в перезаряжаемых и одноразовых версиях. Батарея использует расплавленные соли в качестве электролита и работает при температуре 400–700 ° C. Новые конструкции работают при более низкой температуре 245–350 ° C.
Технология представляет собой задуманный немцами во время Второй мировой войны электролит батарей с расплавленной солью. Он неактивен в холодном состоянии и может храниться более
50 лет. После активации с помощью источника тепла батарея может обеспечить энергию в течение нескольких часов. Высокая мощность возможна благодаря хорошей ионной проводимости расплавленной соли. Одноразовые натриевые батареи почти всегда использовались в военных целях в качестве источника тока на управляемых ракетах, тем не менее, несмотря на очевидные недостатки, позже появились и перезаряжаемые образцы.
К преимуществам таких аккумуляторов можно отнести: экстремально высокую рабочую температуру, длительный срок хранения без саморазряда, дешевизну материалов для изготовления.
Современные экспериментальные аккумуляторы
Хотя литиевые аккумуляторы и совершили огромный скачек в развитии за короткий период времени, характеристик, которые они предлагают все еще недостаточно. Поэтому, помимо развития существующих технологий, ученые активно исследуют новые типы аккумуляторов, экспериментируя с различными материалами. Основной целью этих исследований является кардинальный прорыв по таки параметрам, как удельная энергоемкость и дешевизна производства. Далее мы рассмотрим наиболее перспективные технологии, заслуживающие внимания.
Литий-воздушные аккумуляторы (Li-air)
Литий-воздушные батареи заимствуют идею от цинково-воздушных и топливных элементов в том, что они «дышат» воздухом. В батарее используется каталитический воздушный катод, который снабжается кислородом, а также литиевый анод и электролит. Ученые ожидают, что потенциал накопления энергии будет в 5-10 раз больше, чем у литий-ионных, но говорят, что до того, как технология станет коммерциализированной, потребуется один-два десятилетия. В зависимости от используемых материалов, Li-ion-air будет создавать напряжение в диапазоне от 1,7 до 3,2 В / элемент. IBM, Excellatron, Liox Power, Lithion-Yardney, Poly Plus, Rayovac и другие крупные компании разрабатывают эту технологию. Теоретическая удельная энергия лития-воздуха составляет 13 кВтч / кг; Алюминий-воздух обладает аналогичными качествами с теоретической удельной энергией 8 кВт / ч.
Литий-серные аккумуляторы (Li-S)
Благодаря низкому атомному весу лития и умеренному весу серы, литий-серные батареи обладают очень высокой удельной энергией - 550 Вт / ч, примерно в три раза больше, чем у литий-ионных, и удельным потенциалом - 2500 Вт / ч. , Во время разряда литий растворяется с поверхности анода и восстанавливается при зарядке путем нанесения покрытия на анод. Li-S имеет хорошие характеристики разряда при низких температурах и может заряжаться при температуре –60 ° C. Проблемы заключаются в ограниченном сроке службы, составляющем всего 40-50 зарядов / разрядов и нестабильности при высокой температуре. Li-S имеет напряжение ячейки 2,10 В и является экологически чистым. Сера как основной компонент доступна в изобилии.
Кремний-углеродные нанокомпозитные аноды для Li-ion
В отличие от углерода в качестве типичного материала анода в обычном литий-ионном элементе, исследователи разработали кремний-углеродный нанокомпозит. Это способствует доступу ионов лития для достижения стабильной производительности и увеличения емкости в пять раз по сравнению с обычным литий-ионным аккумулятором. Говорят, что производство простое и недорогое, а аккумулятор безопасен; однако срок службы ограничен из-за структурных проблем при введении и извлечении литий-иона в большом объеме.
Если подводить итоги, за последнее десятилетие не появилось не одной действительно прорывной технологии в сфере химических источников тока. Конечно, LiFePO4 и LTO совершили большой скачек, и по некоторым параметрам ушли далеко вперед от обычных Li-ion батарей, но все это не то что обещают громкие заголовки в СМИ, утверждающие что в скором времени та или иная технология позволит добиться многократного увеличения энергоемкости, в сравнении с существующими продуктами. На сегодняшний день Li-ion, LiFePO4 и LTO являются самыми прогрессивными типами аккумуляторов, и судя по всему в ближайшее время конкурентов у них не предвидится.
