Все, что нужно знать про вечную батарею от Atmosic Technologies

Невероятные аккумуляторы, которых нет: чем нас дразнят ученые

Совсем недавно мы писали про существующие аккумуляторы, а сегодня расскажем о воображаемых — с гигантской удельной ёмкостью и мгновенной зарядкой. Новости о подобных разработках появляются с завидной регулярностью, но будущее пока не наступило, и мы всё ещё пользуемся появившимися в начале позапрошлого десятилетия литий-ионными аккумуляторами, либо их чуть более совершенными литий-полимерными аналогами. Так в чём же дело, в технологических трудностях, неправильной интерпретации слов учёных или чём-то другом? Попробуем разобраться.

В погоне за скоростью зарядки

Один из параметров аккумуляторов, который учёные и крупные компании постоянно стараются улучшить — скорость зарядки. Однако бесконечно увеличивать её не получится даже не в силу химических законов протекающих в аккумуляторах реакций (тем более, что разработчики алюминий-ионных батарей уже заявили, что такой тип аккумуляторов может быть полностью заряжен всего за секунду), а из-за физических ограничений. Пусть у нас есть смартфон с батареей ёмкостью 3000 мАч и поддержкой быстрой зарядки. Полностью зарядить такой гаджет можно в течение часа силой тока в среднем 3 А (в среднем потому, что напряжение при заряде изменяется). Однако если мы хотим получить полный заряд всего за одну минуту, потребуется сила тока уже в 180 А без учёта различных потерь. Для заряда устройства таким током потребуется провод диаметром около 9 мм — в два раза толще самого смартфона. Да и силу тока 180 А при напряжении около 5 В обычное зарядное устройство выдать не сможет: владельцам смартфонов понадобится импульсный преобразователь тока вроде того, что изображён на фотографии ниже.

Альтернатива увеличению силы тока — увеличение напряжения. Но оно, как правило, фиксированное, и для литий-ионный батарей составляет 3,7 В. Конечно, его можно превышать — зарядка по технологии Quick Charge 3.0 идёт с напряжением до 20 В, но попытка зарядить батарею напряжением около 220 В ни к чему хорошему не приведёт, и решить эту проблему в ближайшее время не представляется возможным. Современные элементы питания просто не могут использовать такое напряжение.

Вечные аккумуляторы

Разумеется, речь сейчас пойдёт не о «вечном двигателе», а об аккумуляторах с долгим сроком службы. Современные литий-ионные батареи для смартфонов способны выдержать максимум пару лет активного использования устройств, после чего их ёмкость неуклонно падает. Владельцам смартфонов со съёмными аккумуляторами повезло немного больше, чем другим, но и в этом случае стоит убедиться, что аккумулятор был произведён недавно: литий-ионные батареи деградируют даже тогда, когда не используются.

Своё решение этой проблемы предложили учёные Стэнфордского университета: покрыть электроды существующих типов литий-ионных аккумуляторов полимерным материалом с добавлением наночастиц графита. По задумке учёных, это позволит защитить электроды, которые неизбежно покрываются микротрещинами в процессе эксплуатации, а те же микротрещины в полимерном материале будут затягиваться самостоятельно. Принцип действия такого материала похож на технологию, применённую в смартфоне LG G Flex с самовосстанавливающейся задней крышкой.

К сожалению, дальше научной статьи, опубликованной в 2013 году, дело так и не пошло: нет ни инженерных образцов, ни новых сообщений об этой технологии.

Переход в третье измерение

В 2013 году появилось сообщение о разработке исследователями университета штата Иллинойс нового типа литий-ионных аккумуляторов. Учёные заявили, что удельная мощность таких элементов питания составит до 1000 мВт/(см*мм), в то время как удельная мощность обычных литий-ионных батарей колеблется между 10-100 мВт/(см*мм). Были использованы именно такие единицы измерения, поскольку речь идёт о достаточно небольших структурах толщиной в десятки нанометров.

Вместо плоских анода и катода, применяемых в традиционных Li-Ion батарей, учёные предложили использовать объёмные структуры: кристаллическую решётку из сульфида никеля на пористом никеле в качестве анода и литий-диоксид марганца на пористом никеле в качестве катода.

Несмотря на все сомнения, вызванные отсутствием в первых пресс-релизах точных параметров новых аккумуляторов, а также не представленные до сих пор прототипы, новый тип батарей всё же реален. Подтверждением тому служат несколько научных статей на эту тему, опубликованных за последние два года. Тем не менее, если такие батареи и станут доступны для конечных потребителей, произойдёт это очень нескоро.

Зарядка через экран

Учёные и инженеры пытаются продлить жизнь наших гаджетов не только поиском новых типов аккумуляторов или увеличением их энергоэффективности, но и довольно необычными способами. Исследователи университета штата Мичиган предложили встроить прозрачные солнечные панели прямо в экран. Поскольку принцип работы таких панелей основан на поглощении ими солнечного излучения, чтобы сделать их прозрачными, учёным пришлось пойти на хитрость: материал панелей нового типа поглощает только невидимое излучение (инфракрасное и ультрафиолетовое), после чего фотоны, отражаясь от широких граней стекла, поглощаются узкими полосками солнечных панелей традиционного типа, находящихся по его краям.

Главным препятствием для внедрения такой технологии является низкий КПД таких панелей — всего 1% против 25% традиционных солнечных панелей. Сейчас учёные ищут способы увеличить КПД хотя бы до 5%, но быстрого решения этой проблемы вряд ли стоит ожидать. К слову, похожую технологию недавно запатентовала компания Apple, но пока неизвестно, где именно в своих устройствах производитель расположит солнечные панели.

Мирный атом в каждый смартфон

До этого под словами «батарея» и «аккумулятор» мы подразумевали перезаряжаемый элемент питания, но некоторые исследователи считают, что в гаджетах вполне можно использовать одноразовые источники напряжения. В качестве батареек, которые могли бы работать без подзарядки или другого обслуживания несколько лет (а то и несколько десятков лет) учёные университета штата Миссури предложили использовать РИТЭГ — радиоизотопные термоэлектрические генераторы. Принцип действия РИТЭГ основан на преобразовании выделяющегося в процессе радиораспада тепла в электричество. Многим такие установки известны по использованию в космосе и труднодоступных местах на Земле, но в США миниатюрные радиоизотопные батарейки также применялись в кардиостимуляторах.

Работа над улучшенным типом таких батарей ведётся с 2009 года и даже были показаны прототипы таких элементов питания. Но увидеть радиоизотопные батарейки в смартфонах в ближайшей перспективе мы не сможем: они дороги в производстве, и, к тому же, многие страны имеют строгие ограничения на производство и оборот радиоактивных материалов.

В качестве одноразовых батареек также можно использовать и водородные элементы, но их в смартфонах использовать не получится. Водородные батареи расходуются довольно быстро: хотя ваш гаджет и будет работать от одного картриджа дольше, чем от одного заряда обычной батареи, их придётся периодически менять. Впрочем, это не мешает использовать водородные батареи в электромобилях и даже внешних аккумуляторах: пока это не массовые устройства, но уже и не прототипы. Да и компания Apple, по слухам, уже разрабатывает систему дозаправки картриджей водородом без их замены для использования в будущих iPhone.

Будущее почти здесь

Идея о том, что на основе графена можно создать аккумулятор с высокой удельной ёмкостью, была выдвинута ещё в 2012 году. И вот, в начале этого года в Испании было объявлено о начале строительства компанией Graphenano завода по производству графен-полимерых аккумуляторов для электромобилей. Новый тип батарей почти в четыре раза дешевле в производстве, чем традиционные литий-полимерные аккумуляторы, имеет удельную ёмкость 600 Втч/кг, а зарядить такую батарею на 50 кВтч можно будет всего за 8 минут. Правда, как мы говорили в самом начале, для этого потребуется мощность около 1 МВт, поэтому подобный показатель достижим лишь в теории. Когда именно завод начнёт выпускать первые графен-полимерные батареи не сообщается, но вполне возможно, что среди покупателей его продукции будет Volkswagen. Концерн уже заявил о планах выпуска электромобилей с пробегом до 700 километров от одного заряда аккумуляторов к 2018 году.

Что касается мобильных устройств, то пока применению в них графен-полимерных аккумуляторов мешают большие габариты таких батарей. Будем надеяться, что исследования в этой области продолжатся, ведь графен-полимерные аккумуляторы — один из наиболее перспективных типов аккумуляторов, которые могут появиться уже в ближайшие годы.

Куда ушёл прогресс?

Так всё же, почему, несмотря на весь оптимизм учёных и регулярно появляющиеся новости о прорывах в области сохранения электроэнергии, мы сейчас наблюдаем застой? В первую очередь, дело в наших завышенных ожиданиях, которые только подогреваются журналистами. Мы хотим верить, что вот-вот и произойдёт революция в мире аккумуляторов, и мы получим батарейку с зарядкой менее, чем за минуту, и практически неограниченным сроком службы, от которой современный смартфон с восьмиядерным процессором будет работать минимум неделю. Но таких прорывов, увы, не бывает. Вводу в массовое производство любой новой технологии предшествуют долгие годы научных исследований, испытаний образцов, разработка новых материалов и технологических процессов и другая работа, занимающая достаточно много времени. В конце концов, тем же литий-ионным аккумуляторам понадобилось около пяти лет, чтобы из инженерных образцов превратиться в готовые устройства, которые можно использовать в телефонах.

Поэтому, нам остаётся только запасаться терпением и не воспринимать новости о новых элементах питания близко к сердцу. По крайней мере, пока не появятся новости об их запуске в массовое производство, когда не останется никаких сомнений о жизнеспособности новой технологии.

Создан «вечный» аккумулятор, который можно заряжать раз в неделю!

Батареи нового типа, в которых используются отрицательные ионы фторида, можно заряжать раз в неделю, а при экономичном использовании гаджетов – еще реже.

ЛИТИЙ БОЛЬШЕ НЕ НУЖЕН.

Группа ученых из Калифорнийского технологического университета под руководством лауреата Нобелевской премии 2005 г. по химии Роберта Граббса (Robert Grabbs) разработали новый вид аккумуляторных батарей, в которых в качестве основного вещества используется не литий, а фторид (химическое соединение фтора с другими элементами). По словам ученых, использование этого материала в мобильных аккумуляторах позволит заряжать смартфоны в восемь раз реже, чем сейчас. Результаты своих исследований они отразили в статье, опубликованной в журнале Science.

В современных литий-ионных АКБ, применяемых в портативной электронике, в качестве так называемого «химического поршня» для проведения электрического заряда через контур используются положительно заряженные катионы лития Li2+. Когда аккумулятор полностью заряжен, катионы находятся в аноде и при подключении нагрузки (при включении смартфона, к примеру) начинают перетекать в анод, тем самым генерируя электрический ток. Это классический принцип работы элементов питания на литии, но Роберт Граббс с командой ученых пошли совсем другим путем.

НОВЫЕ СТАРЫЕ ТЕХНОЛОГИИ.

Химик Граббс в своей работе использовал достижения ученых, еще в 1970-х годах доказавших, что «химический поршень» может работать в обратном направлении – нужно лишь использовать отрицательно заряженные ионы, в том числе ионы фторида (F-). Но на тот момент этот процесс происходил только при нагреве аккумуляторных батарей до 150 градусов Цельсия, что делало технологию неприменимой в потребительской электронике.

В БУДУЩЕМ ЭТОТ ДО БОЛИ ЗНАКОМЫЙ СИМВОЛ МЫ БУДЕМ ВИДЕТЬ ОЧЕНЬ РЕДКО!

Роберт Граббс нашел способ обхода этого ограничения: он разработал вещество, растворяющее электролит и позволяющее анионам (отрицательно заряженным ионам) фторида смешиваться с электронами при комнатной температуре.

Технология за авторством Граббса и его коллег пока находится на ранней стадии разработки, и о серийном производстве аккумуляторов нового типа речь не идет. Тем не менее, ученые подчеркивают высокую степень значимости их работы для дальнейшего развития элементов питания мобильных устройств. К основным преимуществам АКБ на основе фторида ученые отнесли, помимо длительного удержания заряда, еще долговечность и надежность, что указывает на замедленные процессы деградации по сравнению с литий-ионными батареями и на низкую вероятность воспламенения при деформации или механическом воздействии. Для элементов питания мобильных устройств это очень важно – напомним, что всего два года назад компания Samsung выпустила смартфон Galaxy Note 7, ставший самым опасным за всю историю мобильных средств связи – его литиевый аккумулятор содержал заводской дефект, приводивший к спонтанным возгораниям или даже взрывам. Существуют официально зафиксированные случаи получения травм и материального ущерба от сгоревшего Note 7.

Читайте также:  Уникальный двухконтурный солнечный тепловой насос: что это такое?

АЛЬТЕРНАТИВА ФТОРИДНЫМ АККУМУЛЯТОРАМ!

Роберт Граббс – не единственный, кто стремится сделать аккумуляторы надежнее и долговечнее. В этом направлении работают многие крупные компании: к примеру, Microsoft в 2015 г. разработала прототип программно-конфигурируемой системы аккумуляторов, в состав которой входили несколько небольших АКБ, каждая из которых по своим химическим свойствам лучше подходит для решения той или иной задачи. Годом ранее ученые из США усовершенствовали традиционные литиевые батареи за счет своего рода защитного кожуха, окутывающего анод и представляющего собой сетку толщиной 20 нм из углеродных куполов. Решение позволило повысить надежность аккумуляторов и увеличить их емкость.

Но дальше всех зашли китайцы – пока весь остальной мир разрабатывает технологии, они уже перешли непосредственно к производству элементов питания нового типа. Cтартап Qing Tao начал выпуск твердотельных аккумуляторов, по всем основным параметрам превосходящих литиевые. Они легче, у них более высокая плотность энергии, и они не так зависят от изменения температуры воздуха. В производство твердотельных АКБ китайцы уже вложили €126 млн.

Все, что нужно знать про вечную батарею от Atmosic Technologies

Всё, что нужно знать про аккумуляторы и аккумуляторные батареи

Качество исполнения. А известно ли вам, что производители подразделяют элементы, которые устанавливаются внутри аккумулятора на три класса по качеству? Никто не пишет об этом и вы никогда не найдете упоминание классе используемых в аккумуляторе элементов на этикетке. Восполним этот пробел и поясним чем элементы класса А отличаются от элементов класса В и С. Впрочем, тут надо отметить, что у разных производителей границы различий элементов между классами могут отличаться в ту или иную сторону. Качественные и количественные характеристики приведены в таблице.

Ёмкость аккумулятора, номинальная – это количество электрической энергии, которой аккумулятор теоретически должен обладать в заряженном состоянии. Количество энергии определяется при разряде аккумулятора постоянным током в течение измеряемого промежутка времени до момента достижения заданного порогового напряжения. Измеряется в ампер-часах (А*час) или миллиампер-часах (mA*час). Ее значение указывается на этикетке аккумулятора или зашифровано в обозначении его типа. Практически эта величина колеблется от 80 до 110% от номинального значения и зависит от большого числа факторов: от фирмы-изготовителя, условий и срока хранения, от технологии ввода в эксплуатацию, технологии обслуживания в процессе эксплуатации, используемых зарядных устройств, условий и срока эксплуатации и т.д. Теоретически аккумулятор номинальной емкостью 600 мА*час может отдавать ток 600mA в течение одного часа, 60 мА в течение 10 часов, или 6mA в течение 100 часов. Практически же, при высоких значениях тока разряда номинальная емкость никогда не достигается, а при низких токах превышается. Для примера на рисунке приведены типовые характеристики разряда Li-ion и Li-polymer элементов при различных токах разряда.

Внутреннее сопротивление аккумулятора, измеряемое в миллиомах (мОм, mOm), – это хранитель аккумулятора и в значительной степени определяет длительность его работы. При более низком внутреннем сопротивлении, аккумулятор может отдать в нагрузку больший пиковый ток, а значит и большую пиковую мощность. Высокое значение сопротивления делает аккумулятор ‘мягким’ и приводит к резкому уменьшению напряжения при резком увеличении тока нагрузки. Такой коллапс напряжения характеризует ‘слабость’ внешне хорошего аккумулятора, потому что запасенная энергия не может быть полностью выдана в нагрузку (вспомните закон Ома, примеч. переводчика). С другой стороны, ‘крепкий’ аккумулятор с низким внутренним сопротивлением отдает почти всю свою энергию в нагрузку. Внутреннее сопротивление аккумулятора зависит от емкости элемента и числа элементов в аккумуляторе, соединенных последовательно. Измеряется внутреннее сопротивление аккумуляторов на специальных приборах – анализаторах аккумуляторов, например, типа Cadex C7000. Примерные значения внутреннего сопротивления для аккумуляторов различных электрохимических систем для сотовых телефонов при напряжении аккумулятора 3.6 В приведены в таблице:

Срок службы (срок эксплуатации) аккумулятора характеризуется количеством циклов заряда /разряда, которое он выдерживает в процессе эксплуатации без значительного ухудшения своих параметров: емкости, саморазряда и внутреннего сопротивления. Срок службы зависит от методов заряда, глубины разряда, процедуры обслуживания или его отсутствия, температуры и химической природы аккумулятора. Информация о степени влияния различных факторов на срок службы приведена на сайте компании Motorola Energy Systems Group . Кроме того, срок службы аккумулятора определяется временем. прошедшим со дня изготовления, особенно для Li-ion аккумуляторов. Аккумулятор, как правило, считается вышедшим из строя после уменьшения его емкости до 60 – 80 % от номинального значения. Для примера ниже на графике приведена типовая зависимость количества циклов заряда / разряда для Li-ion аккумулятора при нормальных условиях. В силу различных причин отдельные элементы в аккумуляторе могут иметь различную емкость и напряжение, что может отрицательно сказаться на его эксплуатационных параметрах.

Условия эксплуатации аккумуляторов определяются условиями эксплуатации элементов, которые находятся внутри аккумулятора. Для различных типов элементов разных производителей эти условия различны. Отличия заключаются в способности работы элементов в области минусовых температур и в температурных условиях для быстрого заряда. Соблюдая несложные правила приведенные ниже, вы обеспечите бесперебойную работу вашего аккумулятора в течение всего гарантийного срока эксплуатации:

Для увеличения срока службы и сохранения емкости аккумулятора не оставляйте его в холодных или теплых местах, например, в автомобилях летом и зимой или около радиаторов отопления. Всегда старайтесь хранить аккумулятор при температуре от 15 до 25 ° С (предельное значение температуры, как правило, от -10 до 45 ° С). Телефон с холодным аккумулятором временно может не работать, даже если он полностью заряжен, а при повышенной температуре быстро саморазряжается.
Время заряда зависит от типа аккумулятора и типа зарядного устройства (обратитесь за более подробными сведениями к руководству по эксплуатации своего телефона). Время заряда также зависит от температуры окружающего воздуха, оптимальная температура от 15 ° С до 25 ° С градусов. Никогда не заряжайте теплый или холодный аккумулятор. Сделайте выдержку времени для достижения аккумулятором комнатной температуры.
Старайтесь приобретать фирменные зарядные устройства, рассчитанные на заряд фирменных аккумуляторов. Дело в том, что дешевые универсальные настольные и автомобильные зарядные устройства сторонних производителей могут не обеспечивать требуемого алгоритма заряда фирменных аккумуляторов. Заряжайте Li-Ion аккумуляторы только в специально предназначенных для них устройствах.
Для надежной работы контакты аккумулятора и соответствующие контакты в телефоне должны быть чистыми и не иметь следов окисления. При необходимости удалите следы окисления резиновым ластиком.
Не допускайте соприкосновения и замыкания электрических контактов аккумулятора с металлическими предметами. Это огнеопасно и приведет к его повреждению. Храните аккумулятор в защитной упаковке.

Зарядные устройства можно классифицировать по типу заряжаемых аккумуляторов, по методу заряда и по конструктивному исполнению. В соответствии с тремя основными методами заряда существует и три основных типа зарядных устройств:

– Стандартное (ночное) зарядное устройство – заряд постоянным током, равным 1/10 от величины номинальной емкости аккумулятора, в течение примерно 15 часов.

– Быстрый зарядное устройство – заряд постоянным током, равным 1/3 от величины номинальной емкости аккумулятора в течение примерно 5 часов. Такие зарядные устройства снабжаются устройством разряда аккумулятора.

– Ускоренный или дельта V (D V) заряд – заряд с начальным током заряда, равным величине номинальной емкости аккумулятора, при котором постоянно измеряется напряжение на аккумулятора и заряд заканчивается после того, как аккумулятор полностью заряжен. Время заряда примерно 1 час. Прекращение заряда основано на регистрации отрицательного перепада (спада) напряжения (Negative Delta V – NDV), появляющегося в герметичных NiCd и NiMH батареях при достижении ими состояния полного заряда. В NiMH этот спад меньше по величине, чем в NiCd, и потому используется в совокупности с другими методами для прекращения режима быстрого заряда NiMH батареи.

Анализаторы аккумуляторов. В отличие от зарядного устройства анализатор аккумуляторов – это прибор, специально разработанный для проведения технического обслуживания различных типов аккумуляторов и обеспечивающий:

-Оптимальный разряд и заряд аккумуляторов в соответствии с рекомендациями их изготовителей.
-Количественную оценку емкости и других параметров аккумуляторов.
-Восстановление потерянной в результате эксплуатации номинальной емкости NiCd и NiMH аккумуляторов.
-Одновременное независимое обслуживание аккумуляторов различных типов.

Конструкция аккумулятора для сотового телефона представляет собой пластмассовый корпус, в который помещены один или несколько элементов, соединенных последовательно, как правило со схемой управления. Непосредственно в элементах запасается электрическая энергия при заряде. От их качества зависит и качество аккумулятора. Мы используем в наших аккумуляторах элементы ведущих мировых производителей: Panasonic, Maxell, GS-Melcotec, Samsung, B&K. Схема управления обеспечивает управление процессом заряда и разряда, а в некоторых случаях дополнительно идентификацию аккумулятора. В NiMH аккумуляторах схема управления содержит минимум пассивных электрорадиоэлементов, в Li-ion и Li-polymer – она может содержать и микроконтроллер.

А вот в случае покупки нового дополнительного аккумулятора дело обстоит сложнее. В этой ситуации можно порекомендовать:

-Старайтесь покупать тот аккумулятор, который уже был в вашем телефоне. Или по крайней мере аналогичный.
Если вы приобретаете аккумулятор стороннего производителя (на них, как правило, вместо фирменного обозначения типа пишется что-нибудь вроде “For Motorola”, “For Nokia” или вообще название какой-либо другой фирмы), то попытайтесь найти тех, кто их недавно покупал, покупал именно в этом месте, и узнайте их мнение.

-В любом случае заручитесь возможностью вернуть аккумулятор обратно, если он вас не устроит, или продумайте, как вы будете отстаивать свои права в случае возврата аккумулятора с точки зрения закона о защите прав потребителя.

-Сразу после покупки и проведения подготовки к эксплуатации несколько раз проконтролируйте время работы телефона с новым аккумулятором и сравните его с указанным в инструкции по эксплуатации для данного значения емкости. Хотя и приблизительно, но это позволит оценить его емкость. Сравните полученную продолжительность времени работы со временем работы на прежнем аккумуляторе (учтите разницу в емкости).

-При покупке обратите внимание на то, что литий-ионный аккумулятор обязательно должен быть заряжен не менее чем на 60 – 80 %. Этот тип аккумуляторов не допускается хранить в разряженном состоянии. Никель-кадмиевые и никель-металл-гидридные аккумуляторы могут быть в разряженном состоянии.

-Следует отметить и наличие небольшой вероятности приобретения новых, не соответствующих норме фирменных аккумуляторов, не говоря уже об аккумуляторах сторонних производителей. Это своего рода брак, вызванный или поставкой недоброкачественных аккумуляторов (а такие случаи бывают) по более низкой цене и выдаваемых продавцом за нормальные, или неправильными условиями их хранения на складах продавца.

-Оптимальный вариант – это покупка аккумулятора, прошедшего проверку на специальном приборе (например, анализаторе аккумуляторов типа Cadex 7000) и процедуру подготовки к эксплуатации.

Все, что нужно знать про вечную батарею от Atmosic Technologies

Гонконг: Ученые изобрели «вечный» аккумулятор

Учеными из Гонконга было опубликовано сообщение, что новые аккумуляторные батареи сделаны на основе графена, получающего энергию из окружающего тепла. Устройство использует тепловую энергию ионов в растворе, преобразуя ее в электричество. На данный момент результаты их исследований проходят стадию рецензирования. Но, если открытие будет подтверждено, конструкция может найти применение в самых разнообразных практических приложениях, подразумевающих использование возобновляемых источников энергии, включая электропитание искусственных органов от тепла тела человека.

В водных растворах ионы движутся со скоростью в сотни метров в секунду при комнатной температуре. Тепловая энергия этих ионов может достигать нескольких килоджоулей на килограмм на градус по шкале Кельвина. Несмотря на это, до сих пор существует достаточно мало научных групп, которые в своих работах попробовали использовать эту энергию во благо с целью преобразования ее в электроэнергию. Именно в этом направлении начала свою работу группа из Hong Kong Polytechnic University (Гонконг). Результаты их экспериментов были опубликованы в журнале arXiv.

В рамках своей работы группа создала новый тип аккумулятора, просто прикрепив серебряные и золотые электроды к полоске из графена. В отчете ученые продемонстрировали, как шесть подобных устройств помещались в раствор, содержащий ионы хлорида меди, производя при этом напряжение более 2 В. Произведенной таким образом энергии было достаточно, чтобы заставить гореть коммерческий красный светодиод, доступный в любом магазине электроники.

Читайте также:  Кельмой или рукой: как правильно наносить раствор

Предложенная схема в корне отличается от обычных литий-ионных аккумуляторов, преобразующих химическую энергию в электричество. Функционирование предложенного аккумулятора непрерывно; устройство работает исключительно за счет получения тепловой энергии окружающих ионов хлорида меди. В свою очередь, ионы пополняют энергию из окружающего сосуд с раствором пространства, т.е. ее запас можно считать бесконечным. По мнению разработчиков, отдача тепла может продолжаться вечно, пока устройство не будет уничтожено. До сих пор не существовало никаких аналогов подобной идеи.

По словам исследователей, принцип работы аккумулятора во многом похож на солнечную ячейку. Ионы меди постоянно сталкиваются с полоской графена, находящейся внутри батареи. Энергии этого столкновения достаточно для вытеснения электронов из графена, которые могут либо соединиться с ионом меди, либо пройти через полоску углеродного материала в электрическую цепь. Поскольку электроны движутся через чистый графен на очень больших скоростях (представляя собой практически релятивистские частицы, не имеющие массы покоя), через углеродный материал они проходят намного быстрее, чем через раствор, содержащий ионы. Таким образом, рекомбинация сформированных свободных электронов не значительна, и их большая часть уходит в электрическую цепь.

В рамках своих экспериментов ученые обнаружили, что напряжение, выдаваемое устройством на выходе, может быть увеличено простым нагреванием системы или ускорением ионов при помощи ультразвука. Оба эти метода работают, поскольку они увеличивают кинетическую энергию ионов. Анализ показал, что в эксперименте могут быть использованы и другие растворы, хотя они дают не такое высокое выходное напряжение.

По словам разработчиков, решающее значение для работы аккумулятора имеет уникальный атомарный слой графена. В рамках своих исследований они экспериментировали с графитом, углеродными нанотрубками и тонкими пленками, но не смогли получить сходных результатов. Эти материалы производят существенно более низкое напряжение (порядка нескольких микровольт), которое может рассматриваться, как шум.

По мнению коллег ученых из США, предложенная концепция выглядит весьма привлекательно, однако перед тем, как первый подобный аккумулятор поступит в производство, предстоит проделать большую работу, чтобы хотя бы оценить, может ли подход дать достаточное количество энергии и плотность мощности (мощность на килограмм веса аккумулятора) для практических применений. Со своей стороны, ученые из Гонконга планируют продолжить работу над конструкцией в попытках повысить выходное напряжение.

Все за 5 минут Что нужно знать о батареях Tesla для дома и офиса

Илон Маск, основатель PayPal, SpaceX и Tesla Motors, снова хочет сделать мир лучше. На этот раз — уменьшить его зависимость от электросетей с новыми аккумуляторами Powerwall и Powerpack. За 2 недели их предзаказы принесли компании около миллиарда долларов. «Афиша» составила краткий гид по теме.

Что это такое

Очередная планетарная затея Илона Маска по переосмыслению производства и использования электроэнергии. Его решение — солнечная панель в связке с аккумуляторами Powerwall и Powerpack, которые позволят накапливать электричество в домашних условиях. В теории это означает, что потребители получат относительную свободу от электросетей, а в некоторых (но пока редких) случаях смогут сэкономить на счетах за электричество. Плюс такой способ электрогенерации во много раз чище, чем получение энергии из углеводородного сырья.

К чему это может привести

На презентации Илон Маск немного пофантазировал: два миллиарда его аккумуляторов смогут избавить нас от электростанций, работающих на органическом топливе. Он сказал, что два миллиарда хоть и сумасшедшее, но в будущем вполне реальное количество, добавив, что сейчас на планете столько же автомобилей. Производить Powerwall и Powerpack начнут на Gigafactory, тесловском заводе в Неваде, где одних только электромобилей планируют выпускать по полмиллиона в год. Хотя в принципе производить подобные аккумуляторы сможет, наверное, кто и где угодно. Все свои патенты, в том числе на машины и даже на «Гигафабрику», Илон Маск давно отдает в общественное пользование без всяких ограничений.

Как это работает

Powerpack — это литий-ионный аккумулятор с инвертором емкостью 100 кВт⋅ч и размером со здоровый шкаф, рассчитанный на использование в офисах, магазинах и прочих общественных пространствах. Powerwall — уменьшенная копия, которая вешается на стену, на 7 и 10 кВт⋅ч, — это вариант для домохозяйства. И тот и другой аккумулятор заряжается от солнечной панели (в Tesla в первую очередь имеют в виду панели SolarСity, компании родственников Илона Маска) или от электросети, например, по ночам, когда тарифы ниже. Аккумуляторы имеют подключение к интернету и управляются при помощи приложения. Их емкость можно увеличивать: Tesla допускает установку максимум девяти Powerwall, и это уже 90 кВт⋅ч. Для сравнения: ноутбук в среднем потребляет 0,05 кВт⋅ч, телевизор и комнатная лампочка — 0,1 кВт⋅ч, холодильник — 4,8 кВт в день, а стиральная машина — 2,3 кВт за цикл стирки.

Кому это нужно

Гикам, отшельникам, жителям солнечных стран, а также всем неравнодушным к вопросам экологии и лично к Илону Маску. Обратите внимание, что речь пока не идет про полную энергетическую автономию пользователей аккумуляторов. Powerwall и Powerpack в нынешнем виде служат скорее источником резервного питания в пиковые часы или на случай аварии, когда в электросети нет тока. Или средством запастись электричеством для довольно скромных нужд в отдаленных районах, где нет сети, но много солнца. Но в любом случае спрос на них есть. На днях стало известно, что Tesla Motors уже получила 38000 предзаказов на аккумуляторы Powerwall и Powerpack — и в сумме это примерно 800 миллионов долларов.

Илон Маск анонсирует Powerwall и Powerpack. Обратите внимание: зал, в котором проходит презентация, отключен от электросети — вся аппаратура в нем питается от аккумуляторов Powerpack

Сколько стоит, как купить и установить

Цена Powerpack еще точно неизвестна, по слухам, она составит около 25000 долларов, продавать их начнут «попозже в этом году». Домашние Powerwall стоят дешевле, 3000 и 3500 долларов за аккумуляторы на 7 и 10 кВт⋅ч, — меньше, чем iMac в максимальной комплектации. Заказать их можно прямо сейчас на сайте Tesla Motors. Первые поставки обещают в конце лета, но только в США. Продажи за рубежом начнутся в конце года, сначала — в Германии и Австралии. Илон Маск обещает, что установка и настройка аккумулятора займет не больше часа. Но заниматься этим будет не пользователь, а сертифицированные компанией установщики.

Можно ли таким образом сэкономить

Пока вряд ли. Подсчитано, что если каждый день заряжать от солнца домашний Powerwall на 7 кВт⋅ч в течение 10 лет (срок гарантии аккумулятора), то каждый киловатт-час в итоге обойдется центов в 12. Если учесть, что еще придется купить солнечную панель (панель SolarCity стоит 7000 долларов), то цена киловатт-часа возрастает до 32 центов. Его средняя стоимость в США составляет 12 центов (а, например, в России вообще 5–10 центов). Впрочем, есть места, где электричество еще дороже, и тогда Powerwall как способ сэкономить, наверное, имеет смысл. Например, в южных округах Калифорнии, где летом киловатт-час может стоит 46 центов. В общем, с одной стороны, надо иметь в виду, что основное назначение Powerwall сейчас — быть запасной домашней батареей. С другой — что ситуация рано или поздно изменится, потому что и литиевые аккумуляторы, и солнечные панели с каждым годом дешевеют.

Кто этим уже пользуется

Первые аккумуляторы Tesla работают в экспериментальном режиме в некоторых магазинах Walmart и 300 жилых домах в Калифорнии, но как именно их используют, не очень понятно. Стоят они и в доме Илона Маска под Лос-Анджелесом, и, по его словам, комплект аккумуляторов и солнечных панелей на крыше может обеспечить две трети его потребностей в электричестве. Но вряд ли полностью избавит от электросети: площади его крыши и, соответственно, площади солнечных панелей недостаточно, чтобы генерировать нужное ему количество энергии. То есть дело тут уже не в аккумуляторах, но это совсем другая история.

Все что нужно знать об аккумуляторных батареях (АКБ)

Все что нужно знать об аккумуляторных батареях (АКБ)

Все аккумуляторы похожи друг на друга как родные братья: большая банка с кислотой, из которой торчат два свинцовых токовода. Принцип действия всех современных аккумуляторов одинаков. Он не изменился за последние 147 лет с того момента как впервые в 1860 году Гастон Планте подарил Французской Академии наук первую аккумуляторную батарею. Ее активная площадь занимала 10 квадратных метров и такой аккумулятор требовал для подзарядки месяцы, а то и годы.

Удивительно, но несмотря на все разговоры ученых о том, что мы стоим на пороге революции в накопителях тока, их принципиальная конструкция остается неизменной. Напрочь презирая новомодные кадмиево-никелевые системы и загадочные “топливные ячейки” автомобилисты всего мира используют все ту же кислоту и тот же свинец.

Тем не менее отличия современных аккумуляторов от тех, что использовал Гастон Планте почти так же велики, как и разница между дешевыми конструкциями, в которых действительно только банка с кислотой и больше ничего и сложными системами, вобравшими в себя технический опыт прошедших 147 лет. Усовершенствования аккумуляторных батарей произошли в области материала пластин, общей конструкции и, в частности, решении вопроса сбора и возвращения испаряющейся воды (системы кондиционирования).

Материал пластин аккумуляторов

Чистый свинец, из которого первоначально делались и пластины и паста практически непригоден при современной поточной технологии изготовления аккумуляторов. Для изготовления решетчатой структуры (обычно литьем) и последующего нанесения пасты нужен материал с более высокими механическими свойствами. Для их достижения в свинец добавляли сурьму.

Легирование свинца сурьмой, обычно от 6 до 12 %, приводит к тому, что гидролиз воды (электролитическое разложение на водород и кислород) происходит уже при 12 В. Это означает, что даже при нормальном состоянии электрической системы автомобиля вода постоянно расходуется, улетучиваясь в воздух в виде газа. Не нужно быть экспертом, чтобы понять, что при неисправностях электросистемы автомобиля, ведущих к повышению и скачкам напряжения в ней, этот процесс многократно усиливается.

Читайте также:  Вертикальный костер финская свеча: 6 способов розжига

Это было привычно и понятно и аккумулятор у советских автомобилистов прочно ассоциировался с необходимостью по крайней мере раз в год откручивать крышки и проверять уровень воды. Если ее было недостаточно и на ее поверхности проявлялись верхние края решетки, необходимо было искать дистиллированную воду, спрашивать у друзей или соседей по гаражу странный предмет под названием денсиметр (похож на клизму со встроенным поплавком) и пускаться в домашние химические опыты. Теперь внимание, попробуйте запомнить! Ни в коем случае нельзя вливать воду в серую кислоту, только наоборот. Иначе может произойти минивзрыв и не только ваши джинсы будут прожжены кислотой (вполне нормально, было хоть раз с каждым), вам практически гарантированы тяжелые травмы и ожоги.

Лень и чувство самосохранения автолюбителей Запада заставили их решить проблему испарения воды. Если количество сурьмы свести к минимуму или заменить ее другим элементом, то аккумулятор можно сделать практически необслуживаемым. Американцы из фирм Delco Remy и GNB в 50-е годы реализовали так называемый кальциевый свинец, а европейцы – малосурьмянистый (Baren, Varta, Bosch). Полученные в результате конструкции обеспечивали стойкость к гидролизу при напряжениях до 16 В и выше, а значит при нормально работающей электросистеме (напряжения в пределах 14 В) вода практически не испаряется и аккумулятор можно сделать герметично закрытым на все время его эксплуатации.

Таким образом, сегодня различают четыре основных разновидности аккумуляторов – “классические” обслуживаемые (сурьмянистый свинец), малосурьмянистые, кальциевые и гибридные (комбинированные). В последних отрицательные пластины делают из кальциевого свинца, а положительные из малосурьмянистого. Такой выбор, как вы догадываетесь, не случаен. При всех достоинствах кальциевых аккумуляторов (они – панацея от практически любых бед, согласно рекламе фирм-производителей) один “смертельный” недостаток у них все-таки есть. При длительной глубокой разрядке их положительные пластины покрываются сульфатом кальция, блокирующего электрохимические реакции. Этот процесс, в отличие от образования знаменитого сульфата свинца, необратим.

От чего “умирают” аккумуляторы

“Две вещи в жизни неизбежны – смерть и налоги” – говаривал один знаменитый американец. Россияне успешно оспорили вторую часть этого высказывания, но вот с первой дела обстоят сложнее. Так же как и люди, аккумуляторы умирают. Все, независимо от того, сколько они стоили при жизни.

Главной причиной смерти аккумуляторов является физика электрохимического процесса зарядки и разрядки.

Получая и отдавая ток, пластины с нанесенной на них пастой расширяются и сжимаются. Это происходит циклично много сотен и тысяч раз и в результате происходит механическое разрушение их структуры. Нанесенная на решетчатые пластины паста опадает с них, скапливаясь на дне. Как результат, еще до того как рабочие поверхности оголятся и потеряют способность удерживать заряд, накопившийся шлам замкнет положительные и отрицательные пластины.

Временное решение существует. Первоначально на дне аккумуляторов делались дополнительные емкости-отстойники, перегороженные ребрами, в которые собирался шлам. Дальнейшие труды конструкторов и разработчиков привели к появлению конвертов-сепараторов. Сепараторы, как следует из названия, разделяют отрицательные и положительные пластины. Выполненные из пористого материала (полиэтилен в последнее время), они как губка пропитаны электролитом и позволяют пластинам быть расположенными практически вплотную друг к другу.

Это значительно уменьшает размеры аккумуляторов и повышает их стойкость к механическим нагрузкам, ведь теперь внутри их находятся плотно упакованные “пакеты”, а не болтающиеся решетки. Дальше, если сепараторы закрыть с трех сторон, они превращаются в своеобразные конверты, в которых и накапливается опадающая с поверхности каждой пластины отработанная свинцовая паста. В результате этого потребность в отстойнике отпадает, пакеты пластин можно фиксировать прямо на дне, что еще больше повышает стойкость и сопротивляемость к вибрациям и ударам. Высвобождается также дополнительное пространство по высоте. Его используют, создавая дополнительные резервы электролита (повышает общее время жизни аккумулятора) и систему конденсирования и сбора испаряющейся воды (см. предыдущую скобку).

Аккумуляторы одинаково боятся перезаряда и глубокой разрядки.

В первом случае происходит интенсивное окисление, разрушение и осыпание материала положительных пластин, а во втором начинается оплывание пасты с отрицательных решеток. Перезаряд может наступить как на работающем автомобиле в случае неисправности электросистемы, так и при стационарной зарядке аккумулятора, когда вы отвлеклись, забыли, в общем прозевали момент, когда он начал бурлить, интенсивно разлагая воду. Кальциевые и гибридные аккумуляторы в гораздо меньшей степени подвержены этой угрозе потому, что состав их свинца обеспечивает свойства своеобразной “самовыключаемости” – они перестают принимать ток когда заряжены на 95-97 %.

Глубокая разрядка происходит чаще всего по вине электросистемы (неисправный генератор), по причине ослабленного ремня генератора, окисления многочисленных контактов, а также замыканий на корпус, когда ток идет не к батарее, а на нагревание окружающего воздуха всей массой автомобиля. Возникшие неполадки легко заметить по неожиданно появившимся проблемам пуска двигателя. Устраняются они стационарной зарядкой, а также поиском и устранением собственно причины потери тока.

При разрядке опасны здесь не только долгосрочные последствия (разрушение отрицательных пластин). Вполне реально перейти за “границу невосстанавливаемости” – 2 В, когда аккумулятор уже нельзя будет зарядить никакими самыми умными зарядными устройствами. Другая ситуация более простая, но не менее опасная. Электролит разряженного аккумулятора стремительно стремится превратиться в обычную воду, а она, как известно, замерзает при минусовой температуре. Так вот, если заряженный аккумулятор вполне сносно переносит морозы потому, что серная кислота не замерзает, то в разряженном варианте он вполне может “рвануть”, не выдержав очередной морозной ночи.

Выбор аккумуляторной батареи

Главным критерием при выборе аккумулятора является его емкость.

Автомобилестроители тщательно подбирают все компоненты электрической системы, включая генератор и аккумулятор по совместимости друг с другом так, чтобы получить баланс. Исходным параметром здесь является двигатель – его объем и количество навесных агрегатов, включая компрессор кондиционера, которые в сумме и определяют с какой силой все это необходимо будет прокручивать при старте. С другой стороны, генератор должен будет заряжать и этот аккумулятор и подавать достаточно тока на остальные, в том числе и вспомогательные системы – отопители, стеклоподъемники и т.д.

“маленьким” по емкости, по сравнению с током генератора. При этом батарея будет постоянно получать больше тока, чем ей надо для нормальной зарядки. В случае обратном, при покупке “танкового” аккумулятора для вашего “Жигуленка” он, безусловно, будет “голодать” и находиться в состоянии недостаточной заряженности. Опасности и разрушительное влияние пере- и недо- заряженности подробно описаны в предыдущей части этой статьи. Вывод прост: если производитель вашего автомобиля определил ему аккумулятор в 36, 54 или 72 ампер-часа – старайтесь найти замену как можно более точно повторяющую оригинал.

В мире распространены три с половиной стандарта аккумуляторов: европейский, японский, североамериканский и южноамериканский, последний, впрочем сделан на основе первого и практически его повторяет. Различия здесь касаются формы, а не содержания, сложились исторически также, как, например “левый руль” в Японии и также не поддаются логическому объяснению.

Американский стандарт предполагает тоководы, расположенные не на верхней крышке аккумулятора, а сбоку и, к тому же, имеющие конструкцию “резьба во-внутрь”. Таким образом, купив Jeep Cherokee или Chevrolet Suburban и уехав на нем далеко от цивилизации (от нормальных магазинов запчастей) вы можете столкнуться с ситуацией когда продаваемые в магазинах аккумуляторы несовместимы с электрическими проводами автомобиля. Настоятельно рекомендуем не резать последние и не изобретать самодельных переходников – электрическая система не любит подобных грубых вторжений. Придется искать настоящий “американский” аккумулятор.

Похожая ситуация с японскими автомобилями. Создавая крошечные транспортные средства, японские конструкторы настолько плотно заполнили подкапотное пространство, что и аккумуляторная батарея стала уже своих европейских и американских собратьев. Покупая “настоящий” (не европейской сборки) японский или корейский автомобиль надо быть готовым к тому, что на положенное ему место встанет только “фирменный” агрегат. Альтернативой является разгром и перестройка подкапотного пространства, что легче и дешевле – решать вам.

При выборе аккумулятора необходимо правильно прочитать его параметры, записанные на его этикетке. Встречаются, например, такие условные обозначения и сокращения:
12V, 55Ah, R.C. 90 min, LOAD TEST 200 A, CCA (-18 C): BCI 400, IEC 275, DIN 255
12V – номинальное напряжение 12 Вольт;
55 Ah – емкость аккумулятора, в данном случае 55 ампер/часов.

Емкость, по определению, это сколько электричества “помещается” в аккумуляторе. Причем размеры (длина-ширина-высота) здесь не так важны как особенности конструкции и, следовательно, внутренние возможности накапливать энергию. Для сравнения это можно представить в виде ящика, в который можно поставить 3-х литровую банку и тогда емкость будет от 0 до 3 литров, или 1 литровую, и тогда тот же показатель будет ограничен цифрой 1.

Для определения емкости аккумулятора полностью заряженную батарею разряжают низким током (в случае 55-го аккумулятора – порядка 2,75А) при температуре электролита в 25 С на протяжении 20 часов, при этом в конце такой разрядки напряжение на полюсах аккумулятора не должно быть ниже 10,5 Вольт. Таким образом, 100-амперный аккумулятор должен “выдавать на гора” ток в 5А на протяжении 20 часов так, чтобы после разрядки этим током его напряжение не опустилось ниже 10,5 Вольт.

R.C. 90 min. – Резервная емкость (Reserve Capacity) – 90 минут.

Резервная емкость – это время (в минутах), в течение которого аккумулятор способен поддерживать напряжение не ниже 10,5 вольт при токе разрядки в 25А.

Физическое значение резервной емкости – это время, которое можно проехать ночью при минимальной электрической нагрузке автомобиля при неработающем аккумуляторе.

LOAD TEST 200 A – Нагрузочный тест 200 А.

Нагрузочный тест показывает исправен ли аккумулятор и способен ли он держать нагрузку, необходимую для пуска двигателя. Для проверки к тоководам присоединяют сопротивление, соответствующее сопротивлению электрической системы при пуске автомобиля. В бытовых и гаражных условиях это пробник (устройство N Э108, не путать с Э107!). После примерно 15 секунд под нагрузкой аккумулятор должен давать напряжение не меньше 9,5 вольт при температуре 21 С. О той энергии, которую высвободил за эти секунды аккумулятор говорит раскалившееся до красна сопротивление пробника. Чем меньше (по емкости) аккумулятор, тем меньший по размеру двигатель он должен крутить и, соответственно меньше нагрузочный тест. Точное его значение (в нашем случае – 200 А) указано на этикетке.

CCA (-18 C): BCI 400, IEC 275, DIN 255 – Ток холодного пуска (Cold Cranking Amperes).

Важнейший показатель, говорящий о том, насколько мощный ток выдаст аккумулятор в условиях зимнего пуска. Для его определения батарею выдерживают несколько часов при температуре -18 С (0 F) и замеряют ток, который она затем выдает на протяжении 30 секунд.

Ток холодного пуска измеряется по трем разным методикам: BCI (Battery Council International), IEC (International Electrotechnical Commission и DIN (Deutche Industri Normen). Отличаются они деталями (30, 60 или 150 секунд, 7,2, 8,4 или 6,0 вольт конечное напряжение) и , как результат, определяют различные итоговые значения. То, как производители аккумуляторов наносят их на этикетки и является последним тестом качественности батарей. Серьезные фирмы указывают все три значения, а сомнительные компании – только один, конечно же самый большой, и, как правило, без его расшифровки.

Добавить комментарий