Литий-ионные аккумуляторы.

1. Батареи с жидким электролитом:

- Малосурьмянистые автомобильные аккумуляторы (Sb/Sb).

Малосурьмянистый аккумулятор – это обычная свинцовая батарея без каких-либо добавок в составе пластин.

Заинтересуют потребителя, настроенного на приобретение «бюджетной» батареи. Однако при интенсивной эксплуатации автомобиля этот вариант не слишком удобен, так как придется производить обслуживание батарей из-за существенных потерь электролита.

Как правило, это уже предыдущее поколение аккумуляторов.

Сейчас же в основном, применяются гибридные и кальциевые аккумуляторы.

- Гибридные автомобильные аккумуляторы (Sb/Ca).

Гибридный аккумулятор имеет пластины разного состава. Плюсовая пластина – обычная малосурьмянистая, минусовая – свинцово-кальциевая или с добавлением серебра. Эти батареи наиболее универсальны и являются самым многочисленным классом АКБ.

Батареи данного типа немного дороже малосурьмянистых, но повышение цены оправдано улучшенными характеристиками, да и обслуживать их практически не нужно. Кроме того, они хорошо переносят глубокие разряды и заряжаются более «охотно», чем аккумуляторы с низким содержанием сурьмы.

- Кальциевые автомобильные аккумуляторы (Ca/Ca).

Кальциевый аккумулятор (Ca/Ca) – это батарея, в которой пластины как отрицательного, так и положительного зарядов – кальциевые.

Для них характерны малый саморазряд и высокие стартерные токи. Однако закон физики «если где-то что-то улучшилось, значит, в другом месте ухудшилось ровно на столько же», не обошел стороной химические источники тока. Кальциевые аккумуляторы полностью необслуживаемые, в этом их сила и слабость одновременно. Дело в том, что они плохо переносят глубокие разряды, но еще более страшен для них перезаряд. Поэтому отличной работой они смогут «похвастать» только на автомобилях с исправным электрооборудованием.

2. Гелевые аккумуляторы (Gel).

В таких батареях кислотный электролит находится в гелеобразном состоянии благодаря добавлению в него соединений кремния. Гелевый электролит позволяет добиться полной герметичности батареи, так как все газовыделение происходит внутри сильно развитой системы пор в массе геля. Это решает проблему необслуживаемости АКБ.

Однако аккумуляторы с загущенным электролитом имеют несколько худшие нагрузочные характеристики по сравнению с классическими АКБ: большие токи с них снять сложнее из-за более высокого внутреннего сопротивления. Батареи с жидким электролитом лучше работают при высоких токах нагрузки при коротких режимах. Кроме того, гелевые батареи критичны к температуре окружающей среды и стабильности зарядного напряжения. Для их подзаряда нужно использовать зарядные устройства, обеспечивающие нестабильность напряжения заряда не хуже +/- 1% для предотвращения обильного газовыделения.

Батареи типа GEL наиболее устойчивы к глубоким разрядам и не нуждаются в обслуживании в течение всего срока службы при нормальных условиях эксплуатации. Но при их нарушении происходит быстрое старение батареи.

В качестве автомобильных аккумуляторов большого распространения гелевые батареи не получили по причине очень высоких требований к бортовому электрооборудованию и из-за резкого падения пускового тока на холоде. Но широко применяются в качестве резервных источников питания в сфере телекоммуникаций.

3. AGM аккумуляторы (Absorbent Glass Mat).

AGM-технология вновь вернулась к жидкой кислоте, но теперь электролит удерживается в порах сепаратора из ультратонких стеклянных волокон, размещенных между электродами. Такой сепаратор представляет собой пористую систему, в которой каппилярные силы удерживают электролит. При этом количество электролита дозируется так, чтобы мелкие поры были заполнены, а крупные оставались свободными для свободной циркуляции газов. Принцип рециркуляции такой же, как у гелевых АКБ: блуждая по порам сепаратора, газы успевают «вернуться» в электролит, не покидая корпус аккумулятора. Таким образом, AGM батареи также не требуют обслуживания в течение всего срока эксплуатации.

Конструкция AGM батарей позволяет не только герметизировать корпус, но и сохранить работоспособность батареи даже в случае повреждений наружной оболочки. Они нечувствительны к колебаниям температуры, долговечны и виброустойчивы.

Но главное преимущество таких батарей — в стойкости к глубоким разрядам. Происходит это за счет повышенной плотности сборки блока пластин и удержания активной массы. Электролит «связан», и разряд аккумулятора не сопровождается его выпариванием с последующим окислением пластин, как это случается с традиционными АКБ.

Но, как и гелевые, AGM батареи чувствительны к превышению зарядного напряжения, только причиной здесь является существенно меньшее количество электролита в них. Поэтому единственным условием для длительной эксплуатации такого рода аккумуляторов в автомобиле является правильный выбор зарядного устройства и контроль за работой генератора.

4. Щелочные аккумуляторы(NiCd).

Как известно, в качестве электролита в аккумуляторах может использоваться не только кислота, но и щелочь. Существует множество разновидностей щелочных АКБ, но мы рассмотрим только те, что нашли применение в автомобилях.

Автомобильные щелочные аккумуляторы бывают двух типов: никель-кадмиевые и никель-железные. В никель-кадмиевой батарее положительные пластины покрыты гидроксооксидом никеля NiO(OH) (он же гидрат окиси никеля III или метагидроксид никеля), отрицательные пластины — смесью кадмия и железа. В никель-железной батарее положительные пластины покрыты тем же составом, что и в никель-кадмиевой батарее — гидроксооксидом никеля. Отличие лишь в отрицательном электроде — в никель-железном аккумуляторе он сделан из чистого железа. Электролитом в обоих типах аккумуляторов является раствор едкого калия КОН.

Пластины-электроды в щелочных батареях упаковываются в «конверты» из тончайшей перфорированной металлической пластины. В эти же конверты запрессовывается активное вещество. Это позволяет сильно повысить виброустойчивость батарей.

У щелочных АКБ есть интересная особенность: в никель-кадмиевых аккумуляторах положительных пластин на одну больше, чем отрицательных, и находятся они по краям, соединяясь с корпусом. В никель-железных аккумуляторах все наоборот — отрицательных пластин больше, чем положительных.

Еще одной особенностью щелочных батарей является то, что в них при протекании химических реакций не расходуется электролит. По этой причине его требуется меньше, чем в кислотных, где приходится наливать электролит с запасом по причине его «выкипания».

У щелочных аккумуляторных батарей есть ряд преимуществ по сравнению с кислотными:

• Хорошая переносимость переразрядов. При этом батарея может храниться в разряженном состоянии без потери своих характеристик, чего нельзя сказать про кислотные АКБ.
• Щелочные батареи относительно легко переносят перезаряд. При этом есть мнение, что их лучше перезарядить, чем недозарядить.
• Щелочные аккумуляторы гораздо лучше работают в условиях низкой температуры. Это позволяет почти безотказно обеспечивать запуск двигателей в зимнее время.
• Саморазряд щелочных батарей ниже классических кислотных.
• Из щелочных АКБ не выделяются вредные испарения, чего нельзя сказать про кислотные АКБ.
• Щелочные аккумуляторы умеют накапливать больше энергии на единицу массы. Это дает возможность дольше выдавать электрический ток (при тяговом режиме эксплуатации).

Однако у щелочных аккумуляторных батарей есть и недостатки, если сравнивать с кислотными:

• Щелочные аккумуляторы выдают напряжение меньше, чем кислотные, из-за чего приходится объединять большее количество «банок» для достижения нужного напряжения. По этой причине, при одинаковом напряжении, габариты щелочного аккумулятора будут больше.
• Щелочные батареи намного дороже кислотных.

Щелочные батареи в настоящее время используются чаще в качестве тяговых аккумуляторов, чем стартерных. Из-за своих габаритов большинство выпускаемых стартерных щелочных АКБ — для грузовиков.

Перспектива широкого использования щелочных батарей на легковых автомобилях пока туманна.

5. Литий-ионные аккумуляторы (Li-ion).

Литий-ионные аккумуляторные батареи (и ее подвиды) считаются наиболее перспективными в качестве дополнительного источника электрического тока.

В настоящее время такие аккумуляторы, наряду с AGM и гелевыми, очень популярны среди любителей и профессионалов автозвука, которые выступают на соревнованиях по SPL.

Т.е. по неограниченному звуковому давлению. Где требуется прокормить мощные усилители, которые потребляют десятки, а то и сотни Ампер. Причём бытует мнение, что такие АКБ способны более «быстро» отдавать электрический ток не же ли их собратья.

Каждый опытный установщик знает, что решение проблем с просадками напряжения в мощных системах начинается с замены штатного аккумулятора или добавления в систему дополнительного аккумулятора.

Хорошее питание – это залог построения хорошей и надёжной аудиосистемы. Ведь, как это встречается сплошь и рядом, дорогие аудиосистемы проектируются без должного внимания к системе питания усилителей звука. Это приводит к тому, что вложенные средства не оправдывают себя, так как усилители звука “задушены” нехваткой питания и не могут работать с максимальной эффективностью.

В химических элементах этого типа носителями электрического тока являются ионы лития. К сожалению, нельзя однозначно описать материалы электродов, т.к. технология постоянно меняется, совершенствуется. Можно лишь сказать, что первое время в качестве отрицательных электродов использовался металлический литий, но подобные аккумуляторы оказались взрывоопасными. В дальнейшем стал использоваться графит. В качестве материала положительных электродов раньше использовались оксиды лития с добавлением либо кобальта, либо марганца. Однако сейчас они всё больше замещаются литий-ферро-фосфатными, т.к. новый материал оказался менее токсичным, более дешевым и экологичным (можно безопасно утилизировать).

Важнейшими достоинствами литий-ионных аккумуляторов являются:

• Высокая удельная емкость (емкость на единицу массы).
• Выдаваемое напряжение выше, чем у «обычных» — один элемент питания способен выдавать около 4 вольт. Напомним, что напряжение элемента классической АКБ — 2 вольта.
• Низкий саморазряд.

Однако все имеющиеся достоинства перевешивают недостатки, из-за которых не получается уже сегодня массово использовать литий-ионные батареи в качестве замены классических свинцово-кислотных.

Некоторые недостатки литий-ионных батарей:

• Чувствительность к температуре воздуха. При отрицательных температурах способность отдавать энергию очень резко снижается. И это одна из главных проблем, над решением которой и бьются разработчики.
• Число зарядов-разрядов пока слишком мало (в среднем, около 500).
• Литий-ионные аккумуляторы «стареют». При хранении происходит постепенное уменьшение емкости. В течение 2 лет — около 20% ёмкости. Просьба не путать с саморазрядом или эффектом памяти. Но хорошо, что работа над решением этой проблемы все-таки ведется.
• Литий-ионные аккумуляторы крайне чувствительны к глубоким разрядам.
• Недостаточная мощность для использования в качестве стартерной батареи. Силы тока, выдаваемой литий-ионным элементом, хватает для питания электронных приборов, но недостаточно для пуска двигателя.

Среди самых современных аккумуляторов особое место занимают литиевые. В химии литий из металлов самый активный. Он обладает огромным ресурсом хранения энергии. 1 кг лития способен хранить 3860 ампер-часов. Хорошо известный цинк сильно отстаёт. У него этот показатель равен 820 ампер-часов. Элементы на основе лития могут вырабатывать напряжение до 3,7V. Но лабораторные образцы способны вырабатывать напряжение около 4.5V.
В современных литиевых аккумуляторах чистый литий не применяется.
Сейчас распространены 3 типа литиевых аккумуляторов:
Литий-ионные (Li-ion). Номинальное напряжение (Uном.) - 3,6V;
Литий-полимерные (Li-Po, Li-polymer или «липо»). Uном. - 3,7V;
Литий-железо фосфатные (Li-Fe или LFP). Uном. - 3,3V.
Все эти типы литиевых аккумуляторов различаются материалом катода или электролита. В Li-ion используется катод из кобальтата лития LiCoO2, в Li-Po применён электролит из гелеобразного полимера, а в Li-Fe используется катод из литий-ферро-фосфата LiFePO4.
Любой литиевый аккумулятор (или устройство в котором он работает) оснащён небольшой электронной схемой - контроллером заряда/разряда. Так как аккумуляторы на основе лития очень чувствительны к перезаряду и глубокому разряду, это необходимо. Если "расковырять" любой литиевый аккумулятор от сотового телефона, то в нём можно обнаружить небольшую электронную схему - это и есть защитный контроллер (Protection IC).
Если встроенного контроллера (или супервизора заряда) в литиевой батареи нет, то такой аккумулятор называют незащищённым. В таком случае контроллер встроен в прибор, который питается от такой батареи, а зарядка возможна только от прибора или от специального зарядного устройства.
Если он такой мощный скажите вы -то почему так редко применяются в автомобилях.
Потому что ему нужен уход! Не такой как другим и относительно небольшой срок службы.
То есть основным и самым пугающим недостатком аккумуляторов на основе лития, я бы назвал их пожароопасность при превышении рабочего напряжения, перегреве, неправильном заряде и безграмотной эксплуатации. Особенно много нареканий относительно литий-полимерных (Li-Polymer) аккумуляторов. Однако, литий-железо-фосфатные (Li-Fe) аккумуляторы не имеют такой негативной особенности - они пожаробезопасны.
Также литиевые аккумуляторы очень боятся холода – быстро теряют свою ёмкость и перестают заряжаться. Это относится к Li-ion и Li-Po аккумуляторам. Литий-железо-фосфатные (Li-Fe) аккумуляторы более устойчивы к морозу. Собственно, это одно из положительных качеств Li-Fe аккумуляторов.
Недостатком литиевых аккумуляторов является и то, что они требуют наличия специального контроллера заряда – электронной схемы. А в случае составной аккумуляторной батареи и балансира.
При глубоком разряде литиевые аккумуляторы теряют свои первоначальные свойства. Особенно глубокого разряда боятся Li-ion и Li-Po аккумуляторы. Даже после восстановления такой аккумулятор будет иметь меньшую ёмкость.
Если литиевый аккумулятор не будет "работать" долгое время, то сначала напряжение на нём снизится до порогового уровня (как правило 3,2-3,3V). Электронная схема полностью отключит ячейку аккумулятора, а затем начнётся глубокий разряд. Если напряжение на ячейке снизится до 2,5V, то это может привести к выходу её из строя.
Поэтому стоит время от времени подзаряжать аккумуляторы.

Для применения в автозвуке подходят Литий-железо фосфатные (Li-Fe)
результаты на этих батарейках - превосходят все ожидания!!! будущее за литием!!!

В производстве литий-ионных аккумуляторов используется наноструктурированный катодный материал литий-железо-фосфат (LiFePO₄). Применение данного материала позволяет достичь высокой плотности энергии аккумулятора, энерго-эффективности, широкого рабочего диапазона температур, длительного срока эксплуатации, экологичности и безопасности. Аккумуляторы предназначены для всех видов электротранспорта и промышленных источников бесперебойного питания.

Зарядка аккумулятора.
В процессе зарядки аккумулятора катионы лития, которые обладают наивысшим отрицательным потенциалом по сравнению с любыми другими металлами (-3,045 В относительно стандартного водородного электрода) и наименьшим размером иона, перемещаются и эффективно обратимо интеркалируют в материал анода.
Разрядка аккумулятора.
Благодаря наноструктуре материала катода в процессе разрядки аккумулятора ионы лития способны обратимо эффективно интеркалировать в кристаллическую решетку данного диэлектрика на глубину до 50 нм. Такая структура катода обеспечивает высокую эффективность аккумулятора и более 3000 циклов зарядки-разрядки (DOD 80%).

В таблице приведены характеристики наиболее распространенных электрохимических схем аккумуляторов:

Когда инженерам удастся решить эти недостатки, литий-ионные аккумуляторы станут отличной заменой классической кислотной АКБ.

Идет непрерывная работа над усовершенствованием существующих типов аккумуляторных батарей. В исследовательских центрах ищут способы увеличения энергоемкости источников питания, что позволит уменьшить размеры аккумуляторов. Для северных районов очень пригодится изобретение морозоустойчивой батареи (и тогда не было бы проблемы отказа завода двигателя в сильные морозы).

Очень важна работа и в направлении обеспечения экологичности, т.к. нынешние технологии производства аккумуляторных батарей не могут обойтись без использования ядовитых и просто опасных веществ (взять хотя бы свинец или серную кислоту).

Вряд ли у традиционных свинцово-кислотных аккумуляторных батарей есть будущее. AGM батареи — это промежуточный этап в эволюции. Аккумулятор будущего не будет иметь в своем составе жидкость (чтобы ничего не вылилось при повреждении), будет иметь произвольную форму (чтобы была возможность использовать все возможные пустоты автомобиля), а также множество других параметров, которые позволят автовладельцам наслаждаться поездкой, а не нервничать по поводу того, что аккумуляторная батарея может отказать в самый неподходящий момент.

Из приведенной таблицы видно, что наиболее перспективными являются литий-ионные аккумуляторы. Во всем мире исследования и разработки в области литий-ионных технологий сейчас стремительно развиваются, появляются новые типы литий-ионных аккумуляторов. В ближайшее десятилетие следует ожидать вытеснение с рынка устаревших электрохимических схем литий-ионными аккумуляторами, особенно, если удастся снизить их стоимость.
Преимущества лития состоят в том, что он обладает самым маленьким электрохимическим эквивалентом (отношением массы к заряду иона) и одновременно наивысшим отрицательным потенциалом по сравнению с любыми другими металлами (-3,045 В относительно стандартного водородного электрода). Кроме того, литий обладает свойством интеркалировать в другие материалы, то есть проникать в кристаллическую решетку с образованием обратимой химической связи (например, в оксиды металлов). Первые литиевые аккумуляторы использовали анод из металлического лития и катод из оксидов различных металлов. К сожалению, эта схема проявила себя как весьма ненадежная – аккумуляторы регулярно вспыхивали или взрывались. Обеспечить большое количество циклов заряд/разряд для анода из металлического лития оказалось проблематично: при заряде аккумулятора металлический литий, восстанавливающийся на аноде, может образовывать дендриты (игольчатые кристаллы), пронизывающие слой электролита и создающие риск короткого замыкания.
В попытках решить проблему циклируемости анода из металлического лития при температурах окружающей среды группа исследователей из Оксфорда предложила заменить металлический литий на матрицу из углеродных материалов (графита или кокса), способную обратимо интеркалировать катионы лития до состава LiC6 при минимальном (не более 10%) изменении объема.
Эта идея оказалась очень плодотворной. Такой тип аккумуляторов получил название литий-ионных. Первый литиево-ионный аккумулятор разработала корпорация Sony в 1991 году. В течение долгого времени стандартной схемой литий-ионного аккумулятора считали катод из кобальтата лития (LiCoO2) и графитового анода.

Аккумуляторы производятся в виде цилиндрических или призматических ячеек:

Для обеспечения безопасности эксплуатации в ЛИА используется трёхслойный сепаратор, средний слой которого, состоящий из полиэтилена, при температуре 135°С расплавляется, и ионный обмен между электродами прекращается. Под крышкой находится также прерыватель электрической цепи, срабатывающий при увеличении давления газов внутри аккумулятора выше допустимого предела. На крышке аккумулятора имеется аварийный клапан, который срабатывает при давлении ещё более высоком, чем во внутреннем устройстве прерывания тока.
Изначально литий-ионные аккумуляторы не выдерживали большого количества циклов заряда/разряда из-за деградации электродных материалов в электролите при протекании тока. К счастью, эту проблему удалось решить путем разработки добавок к электролиту, которые формируют на электродах ион-проводящий защитный слой – SEI (Solid-Electrolyte Interface). Однако, во всех случаях не допускается глубина заряда/разряда в 100%. Считается общепринятым использовать не более 75%-80% емкости (5% недозаряда и 15%-20% недоразряда) для увеличения времени жизни аккумулятора.
Применение кобальтата лития в качестве катодного материала вызывало многие нарекания, связанные с дороговизной и токсичностью соединений кобальта. Также кобальтат может отдать при зарядке не более половины интеркалированного лития, после чего начинается восстановление кобальта, который образует дендриты, аналогично тому, как это происходило на аноде из металлического лития. Дополнительную опасность этому процессу придает то, что при восстановлении кобальта выделяется кислород. Данная электрохимическая схема категорически требует специальной защиты от перезарядки, а также контроля температуры ячеек.
Недостатки литий-ионных аккумуляторов на кобальтате лития вынудили разработчиков искать более совершенные схемы литий-ионных аккумуляторов:

Как видно из таблицы, идеального решения найти не удалось. Феррофосфат лития (оливин) казался бы интересным материалом, тем более, что он представляет собой дешевый природный минерал, однако, он – диэлектрик.
В 2003 году профессор Йет Мин Чанг из Массачусетсского технологического института (MIT) начал экспериментировать с уменьшением размеров отдельных частиц LiFePO4 до ста нанометров (глубина интеркаляции лития в кристаллическую структуру LiFePO4 составляет 50 нм). Благодаря возросшей в тысячи раз площади активной поверхности и улучшению электропроводности за счет наночастиц углерода батареи с катодом из наноструктурированного LiFePO4 превосходили обычные кобальтовые по токам разряда, кристаллическая структура электродов со временем практически не изнашивалась, поэтому количество рабочих циклов батареи возросло до 5000.
Испытания литий-феррофосфатных аккумуляторов показали их высокую надежность и безопасность – они не боятся перезаряда и способны работать в очень широком интервале температур. Материалы, из которых они изготавливаются, дешевы и экологически чисты. Благодаря ограниченной проводимости катодного материала эти аккумуляторы не взрываются при внутреннем коротком замыкании, даже будучи насквозь пробиты гвоздем через все электроды.
Литий-ионные источники энергии (батареи) с большим напряжением реализуются в виде последовательной цепочки аккумуляторов, сколько-нибудь мощные – могут иметь последовательно-параллельное их соединение. Безопасность эксплуатации таких батарей обязательно обеспечивается внешней электронной защитой от перезаряда и переразряда отдельных аккумуляторов. Она включает контроллеры, измеряющие напряжение каждого из них или блока из параллельно соединенных, и ключи для размыкания электрической цепи при достижении предельных величин напряжения. Для контроля температуры батареи используются термисторы. Устройство внешней защиты размещают обычно на плате, устанавливаемой прямо на аккумуляторе. Системы электронной защиты батарей у разных производителей могут существенно различаться, а доступ к этой части изделия часто защищен. BMS (Battery Management System) является необходимой частью любых аккумуляторных батарей. Часто оно включает в себя систему охлаждения/подогрева.

Результаты тестирования литиевой батареи LiFePO4 40Ач и АГМ 44Ач. По графику отлично видно как разряжается АГМ и LPF.

Ток нагрузки 40 ампер.

Основными зарубежными производителями литий-ионных аккумуляторов являются: A123 Systems, Altair Nanotechnologies, Samsung SDI, Ener1 Battery Company, Dow Kokam, Saft Batteries, BYD, Valence Technology.

Несколько российских заводов производят литий-ионные аккумуляторы: ООО "Лиотех",НПО ССК, АК Ригель, НИИХИТ-2, ОАО «НИАИ «Источник», ОАО Энергия.

У наших давильщиков заслуженной популярностью пользуется продукция ООО "Лиотех"

«Плюсы» и «минусы».