Что такое nmc аккумулятор
Литий-никель-марганец-кобальт-оксидные аккумуляторы. Преимущества, недостатки, использование.
Статья обновлена: 2020-12-17
Что такое NMC-аккумуляторы?
Литий-никель-марганец-кобальт-оксидные аккумуляторы (используемые аббревиатуры Li-NMC, LNMC, NMC или NCM), состоят из оксидов лития, никеля, марганца и кобальта, и имеют следующую химическую формулу: LiNixMnyCozO2. Наиболее распространённые модели аккумуляторов обладают химическим составом X+Y+Z=1, и имеют слоистую структуру, схожую с трёхвалентным оксидом лития-кобальта (LiCoO2). По заверениям некоторых источников-производителей, вторым оптимальным соотношением является LiNi5Mn2Co3O2.
NCM аккумуляторы сосредоточили в себе все существующие достоинства лития: большая токоотдача, химическая стабильность, высокая энергоёмкость.
Почему они так хороши?
Секретом их эффективности является практически идеальное сочетание никеля и марганца. Положительной стороной марганца является его шпинельная (от нем. Spinell – колючка) структура, с другой стороны, марганец обладает высоким внутренним сопротивлением (что, в итоге, понижает энергоёмкость батареи). Положительной стороной никеля является высокая энергоёмкость, но при этом никель сам по себе крайне нестабилен. Сочетание этих элементов позволят подчеркнуть их сильные стороны и компенсировать недостатки друг друга.
Положительные и отрицательные стороны.
В итоге, NMC-аккумуляторы имеют электроёмкость на уровне 220 Вт*ч/кг, что позволяет использовать их в переносных устройствах, где одним из ключевых факторов является вес. Ещё одной положительной стороной является низкая пожароопасность конечного изделия, что позволяет использовать их в качестве ИБП (источников бесперебойного питания).
Недостатком NMC-аккумуляторов можно назвать их относительно высокую стоимость, по сравнению с более устаревшими типами Li-ion ячеек.
Технические характеристики
0,7-1С. Если сила тока выше, то АКБ быстрее выйдет из строя.
1С. Некоторые модели поддерживают 2С
Таблица 1. Технические характеристики NCM–элементов
Использование
Основной сферой применения NMC–аккумуляторов является электротранспорт.
Аккумуляторы данного типа были впервые были установлены на электротранспорт в 2011 году на автомобиль BMW ActiveE, и в 2013 году на автомобиль BMW i8. На данный момент NCM-аккумуляторы устанавливались и устанавливаются на следующие модели электротранспорта:
Множество производителей электротранспорта не используют в качестве составных частей тягового аккумулятора NCM–ячейки. Самым известным представителем таких производителей является компания Tesla, которые используют NCA–ячейки (Литий-никель-кобальт-алюминиевые ячейки (LiNiСoAlO2)). Однако, в бытовом аккумуляторе Tesla Powerwall, предназначенном для сохранения энергии в целях бытового использования, сдвига нагрузки потребления и резервного питания, по словам, используются NMC–ячейки.
Ещё одной сферой использования является (как было уже сказано в положительных сторонах) источники бесперебойного питания.
Например, в Южной Корее, в 2016 году были установлены ИБП, произведённых из NCM–элементов: один мощностью 16 МВт и ёмкостью 6 МВт*ч, и один мощностью 24 МВт и ёмкостью 9 МВт*ч. А в 2018 году подобный ИБП, мощностью 30 МВт и ёмкостью 11 МВт*ч был установлен и введён в эксплуатацию в городе Ньюман, штат Западная Австралия.
Зарядка и эксплуатация
По большей части, NMC–элементы используются в сборках из нескольких ячеек, а значит, для зарядки необходимо подключить сетевой адаптер к спец.разъёму, и зарядка пойдёт автоматически. Примерное время зарядки будет составлять в районе 3 часов.
На что обратить внимание при покупке
В первую очередь следует обратить внимание, при покупке NCM элементов на разрядный ток устройства, в котором будет использоваться АКБ. При высокой нагрузке рекомендуется выбрать элементы с относительно небольшой ёмкостью.
Компания VirtusTec в данный момент проводит внедрение нового продукта: аккумуляторных батарей, собранных исключительно из NCM–элементов. Сборка происходит исходя из требований заказчика, а размер и вес готовой АКБ будет несколько меньше, чем у схожего по характеристикам LiFePO4.
Знакомимся с разновидностью литиевых батарей: аккумулятор марки Li-NMC
С каждым годом на рынке появляются все более модернизованные литиевые батареи. В их состав добавляют различные вещества, чтобы стабилизировать химический процесс. Благодаря этому аккумуляторные устройства становятся на порядок безопаснее.
Кроме того, современные аккумуляторы превосходят своих предшественников по техническим показателям (например, по мощности). Это хорошо сказывается на габаритах и весе подобных батарей.
Одни из самых лучших АКБ в плане соотношения емкости на килограмм веса – это те, которые разработаны по методике Li-NMC. Кроме этого, у таких АКБ много других преимуществ. Детальнее – далее.
Общие данные о продукте
Данное изделие – разновидность литиевых батарей, которые можно подзаряжать. Кроме того, в их составе присутствует сплав никеля, марганца и кобальта. Это главное отличие Li-NMC устройства от других источников питания.
Из такого непростого сплава делается положительный электрод, благодаря чему мощность батареи становится на порядок больше.
Технические показатели
У таких батарей объемы могут разительно отличаться, даже при одинаковых габаритах изделий. Но все же есть основные параметры для Li-NMC. Это:
Данный показатель напряжения – номинальный. Максимальный – до 4,3V.
Для какой техники и приборов подходит
В основном, Li-NMC батареи используются для электрического транспорта разной мощности. Это могут быть и небольшие самокаты, и габаритные автомобили.
Также их применяют как источники бесперебойного питания в домах. Такие аккумуляторы устойчивы к возгоранию.
Могут стать заменой для литий-ионных, никель-кадмиевых и никель-металлогидридных АКБ.
Плюсы и минусы
Большие объемы – главное преимущество такой батареи. Емкость некоторых подобных аккумуляторов бывает 220Вт·ч/кг. Это свойство позволяет уменьшить вес изделия.
Электробатареи, которые состоят из Li-NMC, имеют хорошие показатели объема. При желании можно собрать АКБ на 10Ач, 25Ач, 60Ач. А емкость одной ячейки порой доходит до 7500мАч.
Для достижения высоких токов разряда Li-NMC батареи делаются наоборот – небольшие по емкости, приблизительно на 3000-4000мАч.
Один из основных минусов такого изделия – его цена. Из-за этого не все решаются на замену устаревших аккумуляторов.
Процесс зарядки
Обычно такие батареи применяются для сборок, которые состоят из большого количества компонентов.
Также можно восстановить и отдельные элементы. Для этого разместите их в зарядке для литиевых батарей. Для полноценного восстановления Li-NMC понадобится порядка трех часов.
Самые известные изготовители Li-NMC
Самый известный изготовитель таких батарей – LG Electronics из Южной Кореи. Их аккумуляторы имеют отличное качество и длительный срок службы.
Еще один проверенный производитель – Chilwee Battery. Эта компания делает Li-NMC аккумуляторы типоразмеров 26650, 32650, 32700.
Что учесть при покупке
Выбирая изделие, непременно учтите показатели разрядного тока техники или прибора, куда вы планируете устанавливать АКБ. Если ему предстоит выдерживать большие нагрузки, лучше покупать источник питания со сравнительно небольшим объемом.
Выбирайте проверенного продавца, который уже давно зарекомендовал себя в этой сфере. О них всегда можно разыскать реальные отзывы тех, кто уже пользовался их продукцией.
В комментариях к данной статье вы можете рассказать о своем опыте использования Li-NMC аккумулятора. Там же оставляйте все интересующие вас вопросы относительно этого продукта.
Li NMC аккумулятор
Технология изготовления литиевых аккумуляторов совершенствуется с каждым годом. Добавление новых веществ для стабилизации химического процесса, позволяет значительно увеличить безопасность использования таких изделий.
Также современные технологии в области производства перезаряжаемых источников питания, нацелены на максимальное увеличения мощности одного элемента, что положительно отражается на размерах и массе сборок из таких АКБ.
Аккумуляторы, изготовленные по технологии LINMС имеют уникальное соотношение ёмкости на кг веса, что является одним из лучших показателей на сегодняшний день. Такие изделия имеют и другие положительные свойства, о которых будет подробно рассказано в этой статье.
Что такое Li NMC
Li NMC аккумуляторы являются разновидностью литиевых перезаряжаемых батарей. Основное отличие таких изделий заключается в использовании сложного сплава, который содержит никель, марганец и кобальт. Из смеси этих металлов изготавливается анод батареи, что позволяет значительно увеличить мощность источника питания.
Особенность Литий-Никель-Марганец-Кобальт оксидного аккумулятора заключается в том, что ещё на стадии производства можно изменять характеристики батареи увеличивая или уменьшая содержание элементов, входящих в состав батареи.
Технические характеристики и устройство Li NMC
Учитывая особенности Li NMC, которые были приведены выше, показатели ёмкости, даже при одинаковых размерах элемента питания, могут отличаться в разы. Тем не менее, для получения представления о характеристиках этого элемента питания стоит привести основные параметры АКБ этого типа.
Указанное значение напряжения является номинальным. Максимальный заряд аккумулятора возможен до значения 4,3 Вольта.
Где применяются
Основная сфера применения Li NMС аккумуляторов – это электротранспорт различного назначения. При этом мощность устройства не имеет значения. Батареи могут успешно использоваться как в электросамокатах, так и в больших машинах.
Аккумуляторы Li NMС является пожаробезопасными изделиями, поэтому могут быть использованы в качестве источников бесперебойного питания, устанавливаемых в жилых помещениях.
Такие устройства также успешно используются в приборах, где ранее устанавливались литий-ионные, никель-кадмиевые и никель-металлогидридные источники питания.
Преимущества и недостатки
Основное достоинство Li NMС аккумуляторов заключается в высокой электроёмкости. Этот показатель может достигать 220 Вт*ч/кг. Соответственно в любых переносных устройствах это качество позволяет снизить вес батарей.
Электрические батареи, состоящие из аккумуляторов Li NMС, обладают высокими значениями ёмкости. При необходимости можно сделать сборку на 10 ач, 25 ач и даже 60 ач, при этом ёмкость одной ячейки может достигать 7500 ампер-часов.
Если необходимо получить большие токи разряда, то элементы Li NMС, как правило, изготавливаются относительно маленькой ёмкости (3 000 – 4 000 мАч).
Недостатки элементов этого типа являются стандартными для новых технологий. Как правило, высокая стоимость изделий не позволяет полностью заменить устаревшие модели батарей более новыми. Аккумуляторы Li NMС, произведённые в Китае можно купить относительно недорого, особенно в случае приобретения оптовой партии товара.
Как заряжать LINMC батареи
Как правило, LINMС батареи используются в сборках, состоящих из множества элементов. Если такая батарея установлена в электромобиле или велосипеде, то достаточно подключить сетевой адаптер к специальному разъёму такой техники и зарядка произойдёт автоматически.
Отдельные элементы можно полностью восстановить, установив их в зарядное устройство для литиевых элементов питания. Время полного восстановления работоспособности LINMС составляет около 3 часов.
Популярные производители и их особенности
Наиболее популярным производителем аккумуляторов LINMС является южнокорейская компания LG Electronics. Выпускаемые под этим брендом батареи отличаются высоким качеством и продолжительным сроком эксплуатации.
Также неплохо себя зарекомендовала фирма Chilwee Battery, которая выпускает надёжные элементы LINMС типоразмера 26650, 32650 и 32700.
На что обратить внимание при приобретении
При покупке новых элементов питания LINMС следует обязательно учитывать разрядный ток устройства, в которое будут установлены эти изделия. При большой нагрузке рекомендуется приобретать элементы с относительно небольшой ёмкостью.
При покупке следует отдавать предпочтение продавцам, которые существуют на рынке продолжительное время. Как правило, о них можно найти реальные отзывы покупателей, которые приобрели и эксплуатируют аккумуляторы LINMС.
Остались вопросы или есть что добавить? Тогда напишите нам об этом в комментариях, это позволит сделает материал более полезным, полным и точным.
Литий-никель-марганец-кобальт-оксидные аккумуляторы. Преимущества, недостатки, использование.
Статья обновлена: 2020-12-17
Что такое NMC-аккумуляторы?
Литий-никель-марганец-кобальт-оксидные аккумуляторы (используемые аббревиатуры Li-NMC, LNMC, NMC или NCM), состоят из оксидов лития, никеля, марганца и кобальта, и имеют следующую химическую формулу: LiNixMnyCozO2. Наиболее распространённые модели аккумуляторов обладают химическим составом X+Y+Z=1, и имеют слоистую структуру, схожую с трёхвалентным оксидом лития-кобальта (LiCoO2). По заверениям некоторых источников-производителей, вторым оптимальным соотношением является LiNi5Mn2Co3O2.
NCM аккумуляторы сосредоточили в себе все существующие достоинства лития: большая токоотдача, химическая стабильность, высокая энергоёмкость.
Почему они так хороши?
Секретом их эффективности является практически идеальное сочетание никеля и марганца. Положительной стороной марганца является его шпинельная (от нем. Spinell – колючка) структура, с другой стороны, марганец обладает высоким внутренним сопротивлением (что, в итоге, понижает энергоёмкость батареи). Положительной стороной никеля является высокая энергоёмкость, но при этом никель сам по себе крайне нестабилен. Сочетание этих элементов позволят подчеркнуть их сильные стороны и компенсировать недостатки друг друга.
Положительные и отрицательные стороны.
В итоге, NMC-аккумуляторы имеют электроёмкость на уровне 220 Вт*ч/кг, что позволяет использовать их в переносных устройствах, где одним из ключевых факторов является вес. Ещё одной положительной стороной является низкая пожароопасность конечного изделия, что позволяет использовать их в качестве ИБП (источников бесперебойного питания).
Недостатком NMC-аккумуляторов можно назвать их относительно высокую стоимость, по сравнению с более устаревшими типами Li-ion ячеек.
Технические характеристики
0,7-1С. Если сила тока выше, то АКБ быстрее выйдет из строя.
1С. Некоторые модели поддерживают 2С
Таблица 1. Технические характеристики NCM–элементов
Использование
Основной сферой применения NMC–аккумуляторов является электротранспорт.
Аккумуляторы данного типа были впервые были установлены на электротранспорт в 2011 году на автомобиль BMW ActiveE, и в 2013 году на автомобиль BMW i8. На данный момент NCM-аккумуляторы устанавливались и устанавливаются на следующие модели электротранспорта:
Множество производителей электротранспорта не используют в качестве составных частей тягового аккумулятора NCM–ячейки. Самым известным представителем таких производителей является компания Tesla, которые используют NCA–ячейки (Литий-никель-кобальт-алюминиевые ячейки (LiNiСoAlO2)). Однако, в бытовом аккумуляторе Tesla Powerwall, предназначенном для сохранения энергии в целях бытового использования, сдвига нагрузки потребления и резервного питания, по словам, используются NMC–ячейки.
Ещё одной сферой использования является (как было уже сказано в положительных сторонах) источники бесперебойного питания.
Например, в Южной Корее, в 2016 году были установлены ИБП, произведённых из NCM–элементов: один мощностью 16 МВт и ёмкостью 6 МВт*ч, и один мощностью 24 МВт и ёмкостью 9 МВт*ч. А в 2018 году подобный ИБП, мощностью 30 МВт и ёмкостью 11 МВт*ч был установлен и введён в эксплуатацию в городе Ньюман, штат Западная Австралия.
Зарядка и эксплуатация
По большей части, NMC–элементы используются в сборках из нескольких ячеек, а значит, для зарядки необходимо подключить сетевой адаптер к спец.разъёму, и зарядка пойдёт автоматически. Примерное время зарядки будет составлять в районе 3 часов.
На что обратить внимание при покупке
В первую очередь следует обратить внимание, при покупке NCM элементов на разрядный ток устройства, в котором будет использоваться АКБ. При высокой нагрузке рекомендуется выбрать элементы с относительно небольшой ёмкостью.
Компания VirtusTec в данный момент проводит внедрение нового продукта: аккумуляторных батарей, собранных исключительно из NCM–элементов. Сборка происходит исходя из требований заказчика, а размер и вес готовой АКБ будет несколько меньше, чем у схожего по характеристикам LiFePO4.
Революция закончилась. Есть ли альтернатива литий-ионному аккумулятору?
Недавно мы рассказывали об истории изобретения литий-ионных аккумуляторов, которые дали мощнейший толчок развитию портативной электроники. Каждый год технологические СМИ сообщают нам о готовящейся энергетической революции — ещё чуть-чуть, еще год-другой, и мир увидит аккумуляторы с фантастическими характеристиками. Время идет, а революции не видно, в наших телефонах, ноутбуках, квадрокоптерах, электромобилях и смарт-часах по-прежнему установлены разные модификации литий-ионных батарей. Так куда делись все инновационные аккумуляторы и есть ли вообще какая-то альтернатива Li-Ion?
Когда ждать аккумуляторную революцию?
Жаль вас расстраивать, но она уже прошла. Просто растянулась на пару десятилетий и потому осталась почти незамеченной. Дело в том, что изобретение литий-ионных батарей стало апогеем эволюции химических аккумуляторов.
Химические источники тока основаны на окислительно-восстановительной реакции между элементами. В периодической таблице существует всего 90 природных элементов, которые могут участвовать в такой реакции. Так вот, литий оказался металлом с предельными характеристиками: самой низкой массой, самым низким электродным потенциалом (–3,05 В) и самой высокой токовой нагрузкой (3,83 А·ч/г).
Литий является лучшим активным веществом для катода из существующих на Земле. Использование других элементов может улучшить одну характеристику и неизбежно ухудшит другую. Именно поэтому уже 30 лет продолжаются эксперименты именно с литиевыми батареями — комбинируя материалы, среди которых бессменно есть литий, исследователи создают типы аккумуляторов с нужными характеристиками, которые находят очень узкое применение. Старый-добрый аккумулятор с катодом из оксида литий-кобальта, который пришел к нам аж из 80-х годов прошлого века, до сих пор можно считать самым распространенным и универсальным благодаря отличному сочетанию напряжения, токонагрузки и энергетической плотности.
Поэтому, когда очередной стартап устами СМИ громко обещает миру энергетическую революцию со дня на день, ученые скромно умалчивают о том, что у новых батарей есть некоторые проблемы и ограничения, которые только предстоит решить. Решить их обычно не получается.
Главная проблема «революционных» батарей
Сегодня существует множество типов аккумуляторов с разным химических составом, в том числе и без использования лития. Каждый из типов со своими характеристиками нашел свое применение в определенном виде техники. Легкие, тонкие и с высоким напряжением литий-кобальтовые аккумуляторы давно прописались в компактных смартфонах. Выносливые, мощные, но очень габаритные литий-титанатные батареи уместились в общественном транспорте. А малоемкие пожаробезопасные литий-фосфатные ячейки используются в виде больших массивов на электростанциях.
Но всё же самыми востребованными являются именно литий-кобальтовые батареи для потребительской мобильной техники. Главные критерии, которым они отвечают, — высокое напряжение 3,6 В при сохранении высокой энергоемкости на единицу объема. К сожалению, многие альтернативные виды литиевых батарей имеют гораздо меньшее напряжение — ниже 3,0 В и даже ниже 2,0 В — запитать от которых современный смартфон невозможно.
Компенсировать проседание любой из характеристик можно объединением батарей в ячейки, но тогда растут габариты. Так что если очередная перспективная батарея с чудо-характеристиками оказывается непригодной для применения в мобильной технике или электромобилях, ее будущее почти гарантированно предрешено. Зачем нужен аккумулятор со сроком жизни в 100 тысяч циклов и быстрой зарядкой, от которого можно запитать разве что наручные часы со стрелками?
Неудачные эксперименты
Не все из описанных далее аккумуляторов можно считать неудачными — некоторые требуют очень долгой доработки, некоторые могут найти свое применение не в смартфонах, а специализированной технике. Тем не менее, все эти разработки позиционировали как замену литий-ионных батарей в смартфонах.
Несмотря на постоянные вливания десятков миллионов долларов, компания так и не смогла наладить производство аккумуляторов со стабильными характеристиками — показатели плавали от экземпляра к экземпляру. Будь у компании больше времени и финансирования, возможно, ей и не пришлось бы в 2012 году распродавать оборудование, патенты и уходить под крыло другой энергетической компании, A123 Systems.
Литий-металлические батареи — не новость: к их числу относится любая неперезаряжаемая литиевая батарейка. SolidEnergy занялась созданием перезаряжаемых литий-металлических ячеек. Новый продукт обладал удвоенной энергоемкостью по сравнению с литий-кобальтовыми батареями. То есть в прежний объем можно было уместить вдвое больше энергии. Вместо традиционного графита на катоде в них использовалась литий-металлическая фольга. До недавних пор литий-металлические аккумуляторы были крайне взрывоопасны из-за роста дендритов (вырастающих на аноде и катоде деревообразных металлических образований), приводивших к короткому замыканию, но добавление в электролит серы и фосфора помогло избавиться от дендритов (правда, SolidEnergy пока не обладает технологией). Помимо очень высокой цены среди известных проблем аккумуляторов SolidEnergy значится долгая зарядка — 20% от емкости в час.
Сравнение размеров литий-металлической и литий-ионной батарей равной емкости. Источник: SolidEnergy Systems
Активные работы над серно-магниевыми элементами начали в 2010-х годах, когда Toyota объявила об исследованиях в этой области. Анодом в таких батареях является магний (хороший, но не равноценный аналог лития), катод состоит из серы и графита, а электролит представляет собой обычный соляной раствор NaCl. Проблема электролита в том, что он разрушает серу и делает аккумулятор неработоспособным, поэтому заливать электролит приходилось непосредственно перед использованием.
Инженеры Toyota создали электролит из ненуклеофильных частиц, неагрессивный к сере. Как оказалось, стабилизированный аккумулятор все равно невозможно использовать на протяжении долгого времени, так как спустя 50 циклов его емкость падает вдвое. В 2015 году в состав батареи интегрировали литий-ионную добавку, а спустя еще два года обновили электролит, доведя срок службы аккумулятора до 110 циклов. Единственная причина, по которой продолжаются работы над столь капризной батареей, это высокая теоретическая энергоемкость (1722 Вт·ч/кг). Но может оказаться, что к моменту появления удачных прототипов серно-магниевые элементы уже будут не нужны.
Выработка вместо накопления энергии
Некоторые исследователи предлагают пойти от обратного: не запасать, а вырабатывать энергию прямо в устройстве. Можно ли превратить смартфон в маленькую электростанцию? За последнее десятилетие было несколько попыток избавить гаджеты от необходимости в подзарядке через электросеть. Судя по тому, как мы сейчас заряжаем смартфоны, попытки оказались неудачными — напомним о самых «удачных» изобретениях.
Топливная ячейка с прямым распадом метанола (DFMC). Попытки внедрить топливные элементы на метаноле в мобильную технику начались в середине 2000-х. В это время как раз происходил переход от долгоживущих кнопочных телефонов к требовательным смартфонам с большим экраном — литий-ионных аккумуляторов в них хватало максимум на два дня работы, поэтому идея мгновенной перезарядки казалась очень привлекательной.
В топливной ячейке метанол на полимерной мембране, выступающей в роли электролита, окисляется в диоксид углерода. Протон водорода переходит к катоду, соединяется с кислородом и образует воду. Нюанс: для эффективного протекания реакции нужна температура около 120 °C, но ее можно заменить платиновым катализатором, что закономерно влияет на стоимость элемента.
Прозрачные солнечные панели. Солнечные батареи — это отличное решение для добычи нескончаемой (на нашем веку) энергии Солнца. У таких панелей невысокий КПД при высокой стоимости и слишком малая мощность, при этом они являются самым простым способом выработки электричества. Но настоящей мечтой человечества являются прозрачные солнечные панели, которые можно было бы устанавливать вместо стекол в окна домов, автомобилей и теплиц. Так сказать, сочетать приятное с полезным — генерирование электроэнергии и естественное освещение пространства. Хорошая новость заключается в том, что прозрачные солнечные панели существуют. Плохая — в том, что они практически бесполезны.
Разработчик и Университете Мичигана демонстрирует прозрачную панель без рамки. Источник: YouTube / Michigan State University
Чтобы «поймать» фотоны света и превратить их в электричество, солнечная панель в принципе не может быть прозрачной, но новый прозрачный материал может поглощать УФ- и ИК-излучение, переводя всё в ИК-диапазон и отводя на грани панели. По краям прозрачной панели в качестве рамки установлены обычные кремниевые фотовольтаические панели, которые улавливают отведенный свет в ИК-диапазоне и вырабатывают электричество. Система работает, только с КПД 1-3%… Средний КПД современных солнечных батарей составляет 20%.
Несмотря на более чем сомнительную эффективность решения, известный производитель часов TAG Heuer в 2014 году анонсировал премиальный кнопочный телефон Tag Heuer Meridiist Infinite, в котором поверх экрана была установлена прозрачная солнечная панель производства Wysis. Еще во время анонса решения для смартфонов Wysis обещала мощность такой солнечной зарядки порядка 5 мВт с 1 см2 экрана, что крайне мало. Например, это всего 0,4 Вт для экрана iPhone X. Учитывая, что комплектный адаптер смартфона Apple ругают за неприлично низкую мощность 5 Вт, понятно, что с мощностью 0,4 Вт его не зарядишь.
Кстати, пускай с метанолом не получилось, но топливные ячейки на водороде получили билет в жизнь, став основой электромобиля Toyota Mirai и мобильных электростанций Toshiba.
А что получилось: удачные эксперименты с Li-Ion
Успеха достигли те, кто не рвался во что бы то ни стало перевернуть мир, а просто работал над совершенствованием отдельных характеристик аккумуляторов. Смена материала катода сильно влияет на напряжение, энергоемкость и жизненный цикл батарей. Далее мы расскажем о прижившихся разработках, которые лишний раз подтверждают универсальность литий-ионной технологии — на каждую «революционную» разработку находится более эффективный и дешевый существующий аналог.
Литий-кобальтовые (LiCoO2, или LCO). Рабочее напряжение: 3,6 В, энергоемкость до 200 Вт·ч/кг, срок жизни до 1000 циклов. Графитовый анод, катод из оксида литий-кобальта, классический аккумулятор, описанный выше. Это сочетание чаще всего используется в батареях для мобильной техники, где требуется высокая энергоемкость на единицу объема.
Литий-марганцевый (LiMn2O4, или LMO). Рабочее напряжение: 3,7 В, энергоемкость до 150 Вт·ч/кг, срок жизни до 700 циклов. Первый эффективный альтернативный состав был разработан еще до начала продаж литий-ионных аккумуляторов как таковых. На катоде использовалась литий-марганцевая шпинель, позволившая уменьшить внутреннее сопротивление и значительно повысить отдаваемый ток. Литий-марганцевые аккумуляторы применяются в требовательном к силе тока оборудовании, например, электроинструменте.
Литий-никель-марганец-кобальтовые (LiNiMnCoO2, или NMC). Рабочее напряжение: 3,7 В, энергоемкость до 220 Вт·ч/кг, срок жизни до 2000 циклов. Сочетание никеля, марганца и кобальта оказалось очень удачным, аккумуляторы нарастили и энергоемкость, и силу отдаваемого тока. В тех же «банках» 18650 емкость поднялась до 2800 мА·ч, а максимальный отдаваемый ток — до 20 А. NMC-аккумуляторы устанавливают в большинство электромобилей, иногда разбавляя их литий-марганцевыми ячейками, так как у таких аккумуляторов большой срок жизни.
Новая NMC-батарея электрокара Nissan Leaf по расчетам производителя проживет 22 года. Прошлый LMO-аккумулятор имел меньшую емкость и изнашивался гораздо быстрее. Источник: Nissan
Литий-железо-фосфатный (LiFePO4, или LFP). Рабочее напряжение: 3,3 В, энергоемкость до 120 Вт·ч/кг, срок жизни до 2000 циклов. Открытый в 1996 году состав помог увеличить силу тока и повысить жизненный цикл литий-ионных аккумуляторов до 2000 зарядок. Литий-фосфатные батареи безопаснее предшественников, лучше выдерживают перезаряд. Вот только энергоемкость у них неподходящая для мобильной техники — при поднятии напряжения до 3,2 В энергоемкость снижается минимум вдвое относительно литий-кобальтового состава. Но зато у LFP меньше проявляется саморазряд и наблюдается особая выносливость к низким температурам.
Массив литий-фосфатных ячеек с общей емкостью 145,6 кВт⋅ч. Такие массивы используют для безопасного накопления энергии с солнечных батарей. Источник: Yo-Co-Man / Wikimedia
Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидный (LiNiCoAlO2, или NCA). Рабочее напряжение: 3,6 В, энергоемкость до 260 Вт·ч/кг, срок жизни до 500 циклов. Очень похож на NMC-аккумулятор, обладает отличной энергоемкостью, подходящим для большинства техники номинальным напряжением 3,6 В, но высокая стоимость и скромный срок жизни (порядка 500 циклов зарядки) не дают NCA-батареям победить конкурентов. Пока что их используют лишь в некоторых электромобилях.
Видео вскрытия святая святых — NCA-ячейки батареи электромобиля Tesla Model S
Литий-титанатный (Li4Ti5O12, или SCiB/LTO). Рабочее напряжение: 2,4 В, энергоемкость до 80 Вт·ч/кг, срок жизни до 7000 циклов (SCiB: до 15 000 циклов). Один из самых интересных типов литий-ионных аккумуляторов, в которых анод состоит из нанокристаллов титаната лития. Кристаллы помогли увеличить площадь поверхности анода с 3 м2/г в графите до 100 м2/г, то есть более чем в 30 раз! Литий-титанатный аккумулятор заряжается до полной емкости в пять раз быстрее и отдает в десять раз более высокий ток, чем другие батареи. Однако у литий-титанатных аккумуляторов есть свои нюансы, ограничивающие сферу применения батарей. А именно, низкое напряжение (2,4 В) и энергоемкость в 2-3 раза ниже, чем у других литий-ионных аккумуляторов. Это значит, что для достижения аналогичной емкости литий-титанатную батарейку надо увеличить в объеме в несколько раз, из-за чего в тот же смартфон ее уже не вставишь.
SCiB-модуль производства Toshiba с емкостью 45 А·ч, номинальным напряжением 27,6 В и током разрядки 160 А (импульсно до 350 А). Весит 15 кг, а размером с коробку для обуви: 19х36х12 см. Источник: Toshiba
Зато литий-титанатные батареи сразу же прописались в транспорт, где важна быстрая зарядка, высокие токи при разгоне и устойчивость к холодам. Например, электромобилях Honda Fit-EV, Mitsubishi i-MiEV и в московских электробусах! На старте проекта московские автобусы использовали другой тип батарей, из-за чего возникали неполадки еще на середине первого проезда по маршруту, но после установки литий-титанатных батарей производства Toshiba сообщений о разрядившихся электробусах больше не поступало. SCiB-аккумуляторы Toshiba благодаря использованию в аноде титана-ниобия восстанавливают до 90% емкости всего за 5 минут — допустимое время для стоянки автобуса на конечной остановке, где есть зарядная станция. Число циклов зарядки, которое выдерживает SCiB-батарея, превосходит 15 000.
Энергетическая сингулярность
Больше полувека человечество мечтает уместить в батарейки энергию атома, которая обеспечивала бы электричество многие годы. На самом деле еще в 1953 году был изобретен бетавольтаический элемент, в котором в результате бета-распада радиоактивного изотопа электроны превращали атомы полупроводника в ионы, создавая электрический ток. Такие батареи используются, например, в кардиостимуляторах.
А что насчет смартфонов? Да пока ничего, мощность атомных элементов ничтожна, она измеряется в милливаттах и даже микроваттах. Купить такой элемент питания можно даже в интернет-магазине, правда, запитать от него не выйдет даже пресловутые наручные часы.