Технологии

Гелевые и AGM

Гелевые и AGM аккумуляторные батареи содержат электролит не в «классическом» жидком виде, а в связанном, гелеобразном состоянии (отсюда и название типа батареи). Инженерам на протяжении более чем полторы сотни лет истории аккумуляторных батарей приходилось решать множество проблем, задач. Одной из важнейших проблем было осыпание активного вещества с поверхности пластин-электродов. Этот вопрос временно решили путем добавления в состав оксида свинца различных присадок — сурьмы, кальция и т.д. Еще одной очень важной задачей было обеспечение безопасности эксплуатации батарей, т.к. электролит — водный раствор серной кислоты — мог легко вытечь при повреждении корпуса АКБ. Не надо рассказывать, насколько агрессивным химическим веществом является серная кислота. Необходимо было найти способ не допустить, минимизировать возможность утечки электролита при повреждении корпуса батареи.


Эта проблема была решена путем иммобилизации электролита. В гелевых батареях электролит находится в гелеобразном состоянии. Т.к. гель гораздо более плотный и менее текучий, чем жидкость, это решило сразу обе проблемы — активное вещество уже не осыпалось (плотная окружающая среда фиксировала его) и электролит не вытекал (гель имеет низкую текучесть). Отличие в AGM аккумуляторах в том, что между пластинами-электродами находится специальный пористый материал, дополнительно удерживающий электролит и защищающий электроды от осыпания. Сама аббревиатура «AGM» так и расшифровывается — Absorbent Glass Mat (абсорбирующий стекловолоконный материал, пропитанный электролитом). Благодаря тому, что гель в аккумуляторах находится фактически в зафиксированном состоянии, данные батареи не боятся наклонов. Производители пишут даже, что эксплуатация батареи допустима в любом положении (кроме перевёрнутого). Хотя это лишь маркетинговое высказывание, т.к. все равно не стоит держать AGM и гелевые АКБ в перевернутом состоянии.


Отличная виброустойчивость — это не единственное положительное качество AGM и гелевых аккумуляторов. Данные типы батарей имеют низкую скорость саморазряда, благодаря чему их можно хранить долгое время без критического снижения заряда. Хранить следует в заряженном состоянии.


AGM и гелевые АКБ могут выдавать одинаково высокий ток вплоть до полного разряда. При этом они не боятся переразряда, полностью восстанавливая после подзарядки свою номинальную емкость.


Если при разряде AGM и гелевые аккумуляторы менее капризны, чем классические, то с зарядом батарей ситуация совсем иная. Недопустим ускоренный заряд — процесс зарядки AGM и гелевых аккумуляторных батарей должен происходить гораздо меньшим током. Для этого даже используются специальные зарядные устройства, подходящие для зарядки только AGM и гелевых аккумуляторов. Хотя на рынке имеются и универсальные ЗУ, умеющие, по заверениям производителей, производить зарядку всех типов батарей. Насколько это соответствует действительности — необходимо смотреть внимательно, обращая внимание на репутацию и гарантии производителя.


К сожалению, AGM и гелевые батареи при очень низких температурах ведут себя хуже, чем классические. Это связано с тем, что гель становится менее проводимым при снижении температуры. При благоприятных условиях эксплуатации AGM и гелевые аккумуляторные батареи могут работать до 10 лет.


Благодаря своей абсолютной герметичности, относительной виброустойчивости и своей фактической (а не просто маркетинговой) необслуживаемости AGM и гелевые батареи широко применяются там, где классические АКБ использовать опасно или невыгодно: внутри помещений (например, в источниках бесперебойного питания), в мототехнике (мотоцикл, в отличие от автомобиля, едет, периодически отклоняясь от вертикальной плоскости), в морском и речном транспорте (данные аккумуляторы не боятся качки, свойственной судам). Разумеется, AGM и гелевые батареи также применяются и в автомобилях. Чаще всего — в престижных иномарках, что обусловлено довольно высокой ценой этих АКБ (плата за качество и надежность).


Щелочные

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 никель-кадмиевые аккумуляторы обладают «эффектом памяти».
  • Щелочные аккумуляторы 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.


Литий-ионные

Литий-ионные аккумуляторные батареи – это то перспективное направление химических источников тока, которое за рубежом уже давно очень активно применяется в энергетике. Плюсы данных решений – неоспоримы. По сравнению с традиционными свинцово-кислотными и щелочными аккумуляторами, литиевые обладают рядом преимуществ, которые востребованы в повседневной жизни: большая энергоемкомкость, меньший вес, меньшие габариты, безопасность, экологичность, быстрое время заряда, большие разрядные токи. (Перечислен не весь перечень). Разновидности литий-ионных аккумуляторов множатся, с каждой новой разработкой улучшая характеристики. В энергетике появление таких АКБ, позволило дать старт развитию рынка накопителей электроэнергии в том числе при эксплуатации ДГУ для экономии топлива при энергоснабжении удаленных поселков, пересмотреть подходы к эксплуатации автономных систем с возобновляемыми источниками энергии таких, как солнечные и ветряные электростанции, позволило переоснастить источники бесперебойного питания, что дало не только экономический эффект, то и позволило решить сложные технические задачи с регулярными веерными отключениями, уменьшить размеры помещения по размещению ИБП, существенно сократить издержки по вентиляции и кондиционированию, увеличить ресурс работы и межсервисные промежутки по техническому обслуживанию и др.


Типов литий-ионных аккумуляторов уже насчитывается достаточное количество. Вот некоторые из них:


  • LiCoO2 Литий-кобальтовые
  • LiFePO4 Литий-железо-фосфатные
  • LiMn2O4 Литий-марганцевые
  • LiNMC Литий-никель-марганец-кобальтовые
  • LiNCA Литий-никель-кобальт-алюминиевые
  • LiSOCl2 Литий-хлористый тионил
  • Li4Ti5O12 Литий-титанатные

Для работы в составе источников бесперебойного питания нами были выбраны LiFePO4. Литий-железо-фосфатные аккумуляторы, как самые безопасные в эксплуатации. Данные решения актуальны в ИБП мощностью от 10 до 800 кВа и выше.
Сравнительные характеристики аккумуляторов различного типа:


Характери-стики системы Свинцовый Никель-кадмиевый Никель-металл-гидридный Цинк-марганцевый Никель-хлоридный Литий-ионный
Запасаемая энергия, Втч/кг 25-30 36-42 50 70-80 75 80-100 > 100
Удельная мощность, Вт/кг 100-120 148-184 150 220 - 70-90 > 300
Циклируемость > 500 > 1000 1000 30-100 600-1000 > 2000
Основные преимущества cистемы Дешевизна Хорошая циклируемость. Хорошая циклируемость. Дешевизна. Эффективность Дешевизна. Эффективность Высокие характеристики. Экологичность. Отсутствие. Эффекта памяти.
Основные недостатки Экологическая опасность Экологически вредный. Высокий саморазряд. Эффект памяти. Высокий саморазряд. Взрыво-опасностъ. Низкая мощность. Плохая циклируемость. Сильный саморазряд. Наличие высоких температур. Более высокая стоимость энергии.

При сравнении различных типов аккумуляторов достаточно очевиден факт наилучших технических характеристик у литий-ионных аккумуляторов. Теперь рассмотрим их разновидности и сравним технические характеристики (Рассматриваем решения только с графитовым анодом, т.к. Li4Ti5O12 (Титанат) дорог , а эксплуатация ИБП предусматривается в закрытых теплых помещения) :


Материал катода Li-кобальт
LiCoO2
Li-марганец
LiMn2O4
Li-фосфат
LiFePO4
NMC1
LiNiMnCoO2
Материал анода Графит
Напряжение на ячейке, В 3,60/3,70 3,80 3,30 3,60/3,70
Максимальное напряжение заряда, В 4,20 4,20 3,60 4,20
Ресурс 500-1000 500-1000 1000-3000 1000-3000
Срок службы, год (до 0,8Сн) 4 3 8 6
Рабочая температура (диапазон) Средний Средний Хороший Хороший
Удельная энергия, Вт∙ч/кг 150-190 100-135 90-120 140-180
Удельная энергия, Вт∙ч/л - 223 189 261
Максимальный ток, А 1C 10C (40C импульс) 3C (10C импульс) 10C
Саморазряд, %/месяц 1% 5% 0.05% 1%
Стоимость (Дол.США /кВтч) Очень высокая средняя низкая низкая
Безопасность низкая безопасность Умеренно безопасны Безопасны Умеренно безопасны
Тепловой пробой3 150 °C (302° F) 250 °C (482° F) 270 °C (518° F) 210 °C (410° F)
Год начала производства 1994 1996 1999 2003
Исследователи и производители Sanyo, GS Yuasa, LG Chem, Hitachi, Samsung, Toshiba Hitachi, Samsung, Sanyo, GS Yuasa, LG Chem, Toshiba A123, GS Yuasa, BYD, ATL, Lishen, JCI/Saft Sony, Sanyo, LG Chem, GS Yuasa, Hitachi, Samsung
Заметки Высокая удельная энергия, низкая мощность Высокая мощность, хорошая удельная энергия Высокая мощность, средняя энергия, надежный и безопасный Высокая удельная энергия, высокая мощность

Применение LiFePO4 на начальном этапе в источниках бесперебойного питания определена в основном – безопасностью, если сравнивать с LiNiMnCoO2. Изделия на NMC набирают обороты. Мы так же воспользуемся данным решением при постановке более сложных и более требовательных по техническим характеристикам задач, но пока решения на железо-фосфате достаточны!


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.



Закажите бесплатный консалтинг!

На этапе проектирования возможна отдельная услуга по составлению Технического Задания по проекту, в том числе для проведения в дальнейшем тендера. При комплексной услуге проектирования разработка ТЗ предоставляется бесплатно.

Разработка

Дваслона