Улучшение работы батарей через химию

Автор оригинала: Bob Baddeley
  • Перевод
[* Название статьи является аллюзией на название первого студийного альбома Fatboy Slim, «Better Living Through Chemistry» / прим. перев.]



Свинцово-кислотный аккумулятор нельзя назвать чудом современной инженерной мысли. Он очень надёжен и прост в использовании, а для его зарядки нужно просто подать на него фиксированное напряжение и немного подождать; в итоге аккумулятор заряжается и остаётся полностью заряженным – вот и всё. На другой стороне этой простоты находятся их размер, вес, плотность энергии и токсичность материалов.

Литиевый аккумулятор – современный хит, однако его большая энергетическая плотность приводит к тому, что его корпус небольшого размера может разозлиться и стать весьма опасным при неправильном обращении. Учёные ищут более безопасные варианты аккумуляторов, улучшенные системы заряда, формулы для увеличения срока работы батарей, которые можно было бы перезаряжать тысячи раз, и одна недавняя публикация вызвала множество восторженных откликов.

Рассмотрим требования к аккумуляторной ячейке в электромобиле:

  • Высокая плотность энергии (большое количество энергии в батарейке небольшого размера).
  • Возможность быстрого заряда.
  • Возможность быстрого разряда.
  • МНОГО циклов зарядки/разрядки.
  • Низкий саморазряд.
  • Безопасность.

На текущий момент наилучшим вариантом являются литий-ионные аккумуляторы, однако химических реакций с применением лития есть предостаточно, и в зависимости от планируемого использования, балансировки и зарядки, можно оптимизировать различные варианты реакций под различные характеристики работы. Пока не существует идеальной батарейки, а конфликтующие запросы гарантируют наличие на рынке нескольких вариантов.

Как работает литий+ион



Разрядка литий-ионной батареи

Все аккумуляторы работают одинаково. Есть три компонента: анод, катод и электролит. Химическая реакция между электролитом и электродами (анодом и катодом) создаёт ионы рядом с одним электродом, и электроны рядом с другим, в результате чего возникает разность потенциалов. Пары электродов делаются из разных материалов. Анод – это графит, связанный с медью, а катод – кристалл лития, связанный с алюминием. Электролит работает подобием изолятора, поэтому электронам проще идти с одного электрода на другой через контур, чем внутри батареи. По окончанию реакции батарея разряжается, и реакция больше не будет идти, если электронам будет некуда податься. Для зарядки батареи процесс обращается вспять, и напряжение, подаваемое на электролит, запускает реакцию в другую сторону. Не все электролиты созданы равными; химия батарейки, которую нельзя перезаряжать, позволяет ей хранить больше энергии, но приложение обратного напряжения в ней не запускает химическую реакцию вспять.

Возможности аккумулятора лучше всего раскрываются за счёт увеличения площади поверхности электродов, поэтому сэндвич из анода, электролита и катода лучше делать как можно более тонким и с большей площадью соприкосновения. Также в сэндвич входят несколько ломтиков из других пористых материалов, пропускающих ионы, но не дающих мигрировать материалам. Возьмите несколько ваших аккумуляторных сэндвичей и сложите их вместе, перемежая разделителями. В итоге получится либо плоская батарейка (дешёвая ячейка в серебристом кожухе), либо призматическая батарейка (модная батарея, которую вы не встретите в ноутбуке), либо, если вы скрутите всё это в трубочку – цилиндрическая батарейка (к примеру, 18650, или АА).

Аккумулятор на миллион миль


Возможно, вы уже читали новость о том, что Tesla обещает выпустить батарейку, срока жизни которой хватит на «миллион миль». Реально работу выполняла группа исследователей из Университета Далхаузи в Галифаксе (Канада) по контракту с Tesla, однако они провели очень много тестов различных Li-ion аккумуляторов, чтобы найти наилучшее сочетание химических элементов, а также профилей использования и зарядки. «Батарейка на миллион миль» – это просто маркетинговая завлекалочка, описывающая исследования, оптимизирующие химические формулы батарей для увеличения их времени жизни. Сама работа заполнена техническим жаргоном, поэтому я все выходные изучал вопрос аккумуляторов, чтобы сделать вам выборку.

Первое, что стоит отметить касательно их формулы «на миллион миль» – она не характерна для поведения большей части сегодняшних водителей, средних владельцев авто, ездящих на работу и домой. Учёные нацелились на такое использование автомобиля, которое предполагает постоянные поездки и зарядки батареи после почти полной разрядки. Такая ситуация подойдёт для грузовиков, такси и автобусов. Они используют термин 100% DOD, т.е. «глубину разряда» – это когда батарейку используют до упора, а только потом заряжают, в отличии, к примеру, от смартфона, который ставят на зарядку каждый вечер вне зависимости от состояния аккумулятора.

Что обнаружилось: батарейки любят холод; горячие новые формулы


Они нашли, что очень большое значение имеет температура. Аккумулятор, работавший большую часть жизни при температуре в 20 ºC, будет жить дольше, чем тот, что работал при 40 ºC; однако батарейки, работавшие при высоких температурах, а затем попавшие в условия низких, теряют ёмкость с той же скоростью, что и батарейки, всегда работавшие при низкой температуре. Иначе говоря, при высокой температуре батарейка быстрее теряет ёмкость, а при низкой она теряет её не так быстро, и любая батарейка может перемещаться на этом графике туда и сюда без какого бы то ни было эффекта памяти. Более низкие температуры обеспечивают низкую скорость деградации на молекулярном уровне – меньшее количество трещин, дендритов, газовых карманов и т.п. Они очень сильно упирали на то, насколько важно держать всё при низкой температуре.

В предыдущих экспериментах исследователи много времени потратили на изучение других сочетаний химических элементах, но остановились на графитовых электродах NMC532 (как и большая часть научного сообщества). В химии NMC532 – это другое название для LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2. Простым языком это значит, что катод в основном состоит из кристаллов лития, с добавлением небольшого количества никеля, марганца, кобальта и кислорода, а анод состоит из графита (хотя исследования графена выглядят многообещающе).

Однако характеристика NMC532/графит не является исчерпывающей для аккумулятора. Нужно ещё указать электролит. Электролит – это смесь из LiPF6, растворителей и добавок, с названиями слишком смешными для того, чтобы произносить их вслух – типа диметилкарбоната или этиленсульфата. В этой работе они проверяли несколько комбинаций растворителей. Добавки также могут влиять на производительность ячейки, увеличивая скорость зарядки/разрядки за счёт укорачивания времени жизни, или наоборот. На основе предыдущих исследований им очень нравились две формулы добавок (2%FEC+1%LFO, and 2%VC+1%DTD), хотя они обнаружили, что при разных температурах они ведут себя по-разному, и предложили выбирать добавки согласно предполагаемому применению. При производстве аккумуляторов обычно сначала делают сухие компоненты, к которым потом добавляют жидкий электролит (Sparkfun делали подробную статью с описанием производственного процесса).

Выбрав особую формулу и поддерживая низкую температуру работы, исследователи смогли минимизировать две основные причины деградации батареи; потерю лития и увеличение импеданса. В среднем со временем ионы лития, двигаясь туда и сюда, залезают в такие места, которые не позволяют им работать. Они могут оказаться электрически изолированными, группироваться в пластины, дендриты и поверхностные плёнки, реагировать с другими компонентами ячейки, и не участвовать в зарядке и разрядке. Особенно вредными оказываются дендриты – эти кристаллы в виде острых литиевых иголок могут прокалывать сепараторы и закорачивать ячейку, которая затем разогревается и приводит к самоподдерживающейся реакции, и в итоге – к взрыву. Импеданс увеличивается из-за коррозии электродов и потере полезной площади поверхности, из-за химических реакций, растрескивания или формирования резистивного поверхностного слоя, блокирующего электрод.


Способы деградации батареи. Их много, но по сути они сводятся к тому, что «атомы передвигаются туда, куда не надо»

Одна из причин, по которой их исследование привлекло повышенное внимание – оно было скрупулёзным и открытым. Оно заняло три года, для него потребовалось прогнать каждый аккумулятор через тысячи циклов зарядки и разрядки при помощи чрезвычайно точных зарядных и разрядных устройств, записывающих ёмкость батареи – и всё для того, чтобы получить наиболее полные данные. Обычно довольно трудно измерять жизненный цикл батареи в ускоренном режиме; батареи подвергаются большим скоростям зарядки/разрядки, чем требуется в обычной жизни, и получают меньше времени на восстановление. То, что исследователи потратили столько времени на свою работу, говорит о более реалистичных результатах. Они также явно указали:

В отличие от отчётов, описывающих использование коммерческих ячеек, мы включили полное описание всех деталей своих батарей, включая состав электродов, состав электролита, используемых добавок и т.п. Это сделано для того, чтобы другие люди смогли воспроизвести эти ячейки и использовать их для собственных проверок.

Приятно для разнообразия видеть исследование с коммерческой поддержкой, выложенное в открытый доступ, да ещё и под лицензией Creative Commons.

Несмотря на открытость работы, мы, вероятно, не увидим в ближайшее время Li-ion аккумуляторов домашнего изготовления. Возможно, мы увидим постепенный переход на предложенные формулы, и мы хотели бы, чтобы больше влияния уделялось охлаждению, поскольку это значительно увеличивает время жизни батарей. Уверены, что если вам понадобится аккумулятор, Tesla вскоре сможет продать его вам с одной из своих гигафабрик.
Поддержать автора
Поделиться публикацией
AdBlock похитил этот баннер, но баннеры не зубы — отрастут

Подробнее
Реклама

Комментарии 11

    +1
    Принцип работы литий-ионного аккумулятора имеет некоторое
    сходство с принципом работы ионистора. Положительный электрод
    (анод) аккумулятора делают из алюминия, покрытого оксидом
    кобальта CoO2 с интеркалированными в него атомами лития.
    Интеркаляция – это процесс внедрения атомов или ионов какого-
    либо вещества в кристаллическую решетку другого вещества,
    примерно, так же, как вода впитывается в пористую губку.
    Процесс интеркаляции возможен в том случае, если вещество,
    принимающее «чужие» атомы или ионы, имеет полости внутри
    молекул, между молекулами или в атомной решетке. Разумеется,
    размеры интеркалирующих атомов или ионов должны быть меньше
    этих полостей. Атом лития — один из самых маленьких видов атомов,
    а размер положительного иона лития еще меньше, так как он лишен
    электрона на внешней s-орбитали.
    Отрицательный электрод выполняют из меди, покрытой графитом.
    Графит – это одна из форм углерода C. Атомы углерода, связанные
    друг с другом в шестиугольники, образуют плоские «листы».
    Углеродные «листы» графита «лежат» друг на друге стопкой и они
    слабо связаны друг с другом.
    Ионы лития могут перемещаться между этими «листами» и
    интеркалировать в центры шестиугольников, образованных атомами
    углерода. В аккумуляторе оба описанных выше электрода
    погружены в электролит.
    Внешний источник напряжения подключают к аккумулятору таким
    образом, чтобы он начал «перекачивать» электроны слева направо
    – от анода к катоду. Из-за образовавшегося дефицита электронов,
    алюминиевый анод начинает отнимать электроны у атомов лития.
    Оставшиеся без одного из электронов ионы лития Li+ отправляются к
    катоду из-за того что их отталкивает положительный заряд анода и
    притягивает отрицательный заряд катода. Придя на катод, ионы
    лития встраиваются (интеркалируют) в решетку углерода.
    По сути, при заряде аккумулятора, весь атом лития отправляется
    слева направо, но по частям: его электроны «перекачиваются»
    внешним источником тока по проводу, а ионы лития идут к своим
    электронам по электролиту. На катоде ионы и электроны лития
    встречаются, но объединится в атомы не могут, так как ионы
    находятся в углеродных «ловушках».
    Так образуется своеобразный конденсатор, отрицательным
    электродом которого является катод аккумулятора, а положительным
    электродом – ионы лития. Ионы находятся очень близко к катоду,
    поэтому емкость такого «конденсатора» очень велика.

    sites.google.com/site/kontrudar13/himia
      0
      лучше бы со «старым» литием бы разобрались сначала.
      почему вздуваются? ответы типа: неправильные режимы заряда-разряда не принимаются.
      так как 2 одинаковых аккума, включены в паралель, имеют одни и те же режимы заряда-разряда, температуры и ёмкость, и один вздувается, второй нет.
      что делать со вздутым?
      ответ: утилизировать, не принимается, так как аккум то рабочий, если не считать вздутия.
      и новый это дорого.
      пока что проколол оболочку и стравил излишек, и заклеил скотчем.
      как долго он протянет с дырочкой в боку?
      вот актуальные и наболевшие вопросы по литию.
        0
        У меня в телефоне такой прожил несколько лет, пока не сменил телефон. Тоже вздулся, проколол дырочку и заклеил скотчем.
          +1
          2 аккумулятора включенных в параллель имеют неодинаковые условия эксплуатации из-за разного внутреннего сопротивления, но правильный ответ наверное все же «производственыые дефекты»
          +4
          Название статьи является аллюзией на название первого студийного альбома Fatboy Slim

          Вообще-то, фраза «Better Living Through Chemistry», в качестве названия эпизода сериала «Miami Vice», была использована за 10 лет до того, как Норман Кук стал Fat Boy Slim'ом и выпустил альбом под этим псевдонимом. А вообще, эта фраза родилась из рекламного слогана DuPont, который был в ходу с 1935 года… И в целом, это на порядки более глубокий культурологический феномен, часть проявлений которого — названия альбомов, книг, фильмов.
          /зануда
            0
            Свинцово-кислотный аккумулятор нельзя назвать чудом современной инженерной мысли. Он очень надёжен и прост в использовании, а для его зарядки нужно просто подать на него фиксированное напряжение и немного подождать; в итоге аккумулятор заряжается и остаётся полностью заряженным – вот и всё.

            Почти как идея колеса из мира идей Платона.

              0
              а для его зарядки нужно просто подать на него фиксированное напряжение и немного подождать

              вообщето свинцовые аккумуляторы заряжают фиксированным током, а напряжение как раз таки изменяется в процессе заряда.
              дальше читать не стал.
                +1
                дальше читать не стал.

                Это очень правильно. Безграмотностью необходимо гордиться! И ни в коем случае не пытаться с ней что-то сделать. А там дальше много умных букв, которые могут случайно что-то объяснить… Как потом безграмотность восстанавливать?..

                вообщето свинцовые аккумуляторы заряжают фиксированным током

                Аккумулятор не «заряжают током». Ток в аккумуляторе не накапливается. И не «заряжают напряжением». Напряжение в аккумуляторе тоже не очень хорошо запасается. А заряжается аккумулятор энергией, которая в случае электричества «постоянного тока» — напряжение умноженое на ток. А уж как мы распределим энергию между током и напряжением и как будем менять это распределение по мере заряда — это уже зависит от химии аккумулятора, задачи и погоды (конкретнее — от температуры).
                0
                химия батарейки, которую нельзя перезаряжать, позволяет ей хранить больше энергии, но приложение обратного напряжения в ней не запускает химическую реакцию вспять.


                На практике проверено, если батарею заряжать током один миллиампер, батарея заряжается.

                Время заряда конечно несколько недель и перерывы заряда приветствуются, лучше всего фотоэлемент от калькуляторов, подсоединить к батарее и на окно. При такой схеме и циклы есть и ток заряда подходит.

                Сразу хочется предупредить, что таблетки при любом токе взрываются, таблетки можно только в струбцинах заряжать
                  0
                  Ниже, три графика разряда батарейки после заряда током один миллиампер, для трех времен заряда,
                  6 часов, 12 часов, 24 часа.

                  image
                  Данные для графика получены тестером UT60D.
                  Шкала времени немного не того, правый край — это 15 минут.
                  Разряд батарейки через лампочку от елочной гирлянды, вначале ток разряда 70 миллиампер.

                  Все заряжается, только медленно.
                  Еще будут хорошие данные, нарисуем

                    0
                    Извиняюсь, тут лучше видно

                    image

                Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                Самое читаемое