Карбоновый аккумулятор что это
Карбоновый аккумулятор что это
Сегодня хочу поделиться знаниями о карбоновых батареях.
Последние несколько лет этот термин гуляет в аккумуляторной среде.
Исходя из названия, куда-то добавляется углерод. Да, добавляются углеродные нано трубки.
Срок службы аккумуляторов до 15 лет
Электролит: в карбоновых батареях используют коллоидный электролит( добавление SiO2(гель) в электролит в небольшом количестве.
Существует уже два поколения карбоновых батарей.
Добавление углерода в состав активной массы резко снижает процесс сульфатации пластин.
Во втором поколении углерод добавляют в активную массу отрицательной пластины, как и в саму решетку.
Устройство
Разница между первым и вторым поколением: 1е поколение нельзя разряжать большими токами, но можно полностью заряжать. 2е поколение можно разряжать большими токами, но не рекомендуется полностью заряжать.
Заряжать карбоновые батареи рекомендуется до 90-100%(PSOC). Разряжать до 30% от номинала. Желательно не разряжать до 100% от номинальной ёмкости. В идеале работа батареи должна быть следующим образом: разряд со 100% от номинальной ёмкости до 30% от номинальной ёмкости, затем заряд до 90% от номинальной ёмкости, затем разряд до 30% от номинальной ёмкости и так далее. DOD(глубина разряда) обычно 60% от номинальной ёмкости. В этом режиме 4800 циклов заряд-разряд. Если снимать 80% от номинальной ёмкости, то 3800 циклов заряд-разряд.
Коллоидный электролит полимерного состава позволяет сбалансировать пропорцию электролита с сепаратором AGM, устранить явление расслоения, улучшить
теплопроводность и ионную проводимость батареи и избежать риска терморазгона
DOD(глубина разряда) обычно 60% от номинальной ёмкости. В этом режиме 4800 циклов заряд-разряд. Если снимать 80% от номинальной ёмкости, то 3800 циклов заряд-разряд.
Инженеры компании Hitachi (CSB battery) утверждают, что их карбоновые батареи могут совершать 2400 циклов полного разряда аккумулятора. У литиевых батарей количество циклов примерно 3000.
Обратите внимание, что количество циклов карбоновых батарей соответствует количеству циклов литиевых аккумуляторов.
Применение
Карбоновые батареи надо использовать в устройствах, где нужна повышенная цикличность. Например, в альтернативной энергетике. Совсем не рекомендуется их устанавливать в ИБП(UPS).
Свинцово-кислотные карбоновые аккумуляторные батареи
В настоящее время с возросшим количеством и разнообразием электропитающих устройств в мире возросли и требования потребителей в вопросах обеспечения надежного резервирования питания этих устройств. И самым востребованным источником питания среди химических источников тока пока остаются свинцово-кислотные аккумуляторные батареи. Их популярность объясняется широким диапазоном емкостного ряда, возможностью группировки аккумуляторов до необходимого напряжения для различного оборудования, кратному 2 В (4, 6, 8, 12, 24 и т.д.) а, самое главное ценовой доступностью по сравнению с другими химическими источниками тока.
В тоже время при эксплуатации свинцово-кислотных аккумуляторных батарей возникает ряд ограничений обеспечения непрерывной и стабильной работы, связанный с ограничением срока службы и количества циклов заряда-разряда, снижением эффективности при изменении температурного режима, вероятностью «терморазгона» при несоблюдении рекомендованных условий эксплуатации.
Более того, одним из основных недостатков свинцово-кислотных аккумуляторных батарей являются большие сроки заряда по причине их электрохимических свойств, а именно процесса формирования и растворения сульфата свинца (PbSO4) на отрицательном электроде, состоящем из чистого свинца. При разряде на поверхности электрода образовывается сульфат свинца, а при заряде он снова приходит в исходные компоненты и состояние. Процесс растворения сульфата свинца происходит медленно, и если «ускорить» его увеличением зарядного тока, то происходит разложение воды, увеличивается газовыделение с повышением внутреннего давления, что может в дальнейшем привести к формированию кристаллов на электроде, а это еще больше снизит скорость заряда. На положительном электроде также формируется сульфат свинца, но на нем поддерживается высокая скорость заряда из-за его химического состава (диоксид свинца) в отличие от отрицательного.
Это подтолкнуло ученых искать решение этих проблем разработкой новых технологий производства, делая упор на вышеуказанные факторы, ограничивающие эксплуатационные характеристики свинцово-кислотных аккумуляторных батарей, а особенно на сокращение и замедление процесса накопления сульфатов, приводящего к деградации батарей.
И такое решение нашлось. Была создана более совершенная свинцово-кислотная аккумуляторная батарея на основе добавки углерода в состав активной массы отрицательного электрода, которую можно назвать «модернизированной» версией свинцово-кислотной батареи. Сейчас у производителей она представлена как «свинцово-кислотная карбоновая аккумуляторная батарея». Спрос на карбоновые аккумуляторные батареи активно возрастает, и на это есть объективные причины.
Углерод (С) – очень интересный химический элемент (неметалл) со способностью образовывать полимерные органические цепочки и находящийся в составе большинства известных нам в природе полезных ископаемых: уголь, графит, известняк, горючие сланцы, торф, а также в составе обычной бытовой сажи и даже в составе растений и животных. Простота его добычи и широкое распространение позволяет значительно снизить себестоимость производства аккумуляторов с этим составом, улучшая при этом их эксплуатационные характеристики. В тоже время использование углерода в составе аккумуляторных батарей позволило еще больше расширить сферу применения этого органического соединения.
Кроме того, в карбоновых батареях используют коллоидный электролит (добавление селико-геля SiO2 в водный раствор серной кислоты) в небольшом количестве. Коллоидный электролит полимерного состава позволяет сбалансировать пропорцию электролита с сепаратором AGM (Absorbent Glass Mat), устранить явление расслоения, улучшить теплопроводность и ионную проводимость в батарее, а также избежать риска возможного терморазгона.
Период разработки и внедрения карбоновых аккумуляторных батарей прошел в два этапа. На первом этапе углерод добавлялся только в свинец при производстве отрицательной решетки. Кроме углерода в сплав добавляется олово и кальций. Решетка получается с высокой проводимостью, прочностью, коррозионностойкостью. Перемешивание С (углерода) и Pb (свинца) происходит химическим и физическим способом для выравнивания размеров и плотности С и Pb.
На втором этапе углерод стали добавлять и в активную массу отрицательной пластины, как и в саму решетку. При этом добавление углерода в состав активной массы позволил резко снизить процесс сульфатации пластин.
Частицы углерода, которые добавляются к свинцовому отрицательному электроду, образуют проводящую сетчатую структуру с центрами реакций, которая улучшает процесс накопления энергии. На поверхности этих углеродных частиц образуются новые реакционные центры и, таким образом, формируется проводящая сеть, способствующая равномерному протеканию электрохимических реакций на поверхности и внутри электрода, тем самым уменьшая эффект концентрированного осаждения сульфата свинца на поверхности. Будучи гетерогенным материалом, он препятствует росту частиц PbSO4 и обеспечивает их равномерное распределение на поверхности.
При этом необходимо отметить, что процесс сульфатации, в любом случае, неизбежен ввиду присутствия электрохимических реакций, протекающих в аккумуляторах, но он значительно снижен и наступает гораздо позже, чем у аналогичных по характеристикам AGM батареях и батареях с гелевым электролитом.
Таким образом, эта технология значительно препятствует процессу сульфатации отрицательного электрода, увеличивая при этом срок службы батареи до 15 и более лет в буферном режиме, а также количество циклов в циклическом режиме. Срок службы в циклах заряда-разряда усовершенствованной свинцово-углеродной аккумуляторной батареи в несколько раз больше срока службы обычных свинцово-кислотных аккумуляторных батарей, работающих в таком же циклическом режиме. При разряде до 70% они могут обеспечить до 2000 циклов заряда-разряда, тогда как обычная AGM батарея рассчитана не более 400-500 циклов в тех же условиях.
Еще одной отличительной особенностью карбона является возможность ускоренного заряда повышенными токами заряда без опасений нагрева, что влияет на сроки заряда и обеспечение безопасности оборудования. Поэтому они получили широкое применение не только в традиционном оборудовании, где используются обычные стационарные свинцово-кислотные аккумуляторы (системы телекоммуникации и связи, охранные и пожарные системы безопасности, источники бесперебойного питания, дежурное освещение и др.), но и в гибридных транспортных средствах, скутерах, голь-карах, мотоблоках на электротяге, медицинских колясках, электровелосипедах, клининговой технике, возобновляемых источниках энергии (солнечная и ветроэнергетика), телеметрическом, измерительном, контрольном и другом технологическом оборудовании.
Таким образом, можно выделить основные преимущества карбоновых по сравнению с традиционными герметизированными свинцово-кислотными аккумуляторными батареями:
В качестве недостатков карбоновых батарей следует отметить, что они хуже держат заряд при высокой токоотдаче (высоком токе нагрузки), особенно на коротких режимах разряда. Поэтому рекомендовано их использовать в условиях равномерной нагрузки на протяжении всего разряда.
Карбоновые аккумуляторные батареи не только получили улучшенные технические характеристики, но и переняли все преимущества традиционных герметизированных свинцово-кислотных аккумуляторных батарей, изготовленных по технологии AGM. Эта технология дала толчок к дальнейшему развитию, оптимизации и совершенствованию конструкции свинцово-кислотных аккумуляторных батарей.
Как это устроено: свинцово-кислотные карбоновые аккумуляторные батареи
Давайте поговорим про свинцово-кислотные карбоновые аккумуляторные батареи. Изучим их особенности и назначение. Чтобы раскрыть тему пообщались с экспертом – сотрудником профильной компании, поставляющей данную категорию оборудования на российский рынок. Вот, что он поведал в беседе с нашим корреспондентом.
Сегодня аккумуляторные батареи имеют широкую сферу практического применения в самых разных отраслях человеческой деятельности, включая производственную и непроизводственную деятельность. Такая востребованность вызвана тем, что современный свинцово-кислотный АКБ способен обеспечивать резервное питание самых разных технических средств, машин, механизмов, аппаратов и агрегатов. Более того, широкий диапазон емкостного ряда, а также возможность выдачи напряжения от 2 до 24 В позволяет активно использовать такие батареи для питания самого разного оборудования.
Особенности современных кислотных аккумуляторов
Немаловажную роль в распространении АКБ играет и адекватная цена, благодаря чему использовать такие батареи могут практически любые предприятия. Вместе с тем, при эксплуатации таких изделий существует ряд ограничений, которые следует обязательно учитывать тем, кто планирует использовать их для стабильной и непрерывной работы оборудования.
Вследствие химических процессов, объективно происходящих внутри такого аккумулятора, количество циклов из заряда-разряда у изделий имеет ограниченное количество. В связи с этим, в среднем эксплуатационный срок такой батареи составляет 7-10 лет. Дело в том, что при интенсивной эксплуатации батареи в режиме заряда-разряда течением времени на отрицательном электроде формируются такое вещество, как сульфат свинца.
Сам процесс заключается в том, что при разряде батареи, он образуется на клемме «-», а при заряде, растворяется, но не полностью, поскольку не успевает этого сделать по объективным причинам. Соответственно, с течением времени сульфитация становится все сильней, что, в конце концов, приводит к тому, что устройство перестает держать заряд.
Если заряжать свинцово-кислотный аккумулятор высокими токами, это неизбежно приводит к повышенному выделению газа, что увеличивает внутреннее давление и может активировать процесс формирования кристаллов на электроде. Это крайне негативно сказывается на эксплуатационном сроке любой батареи, приводя к ее преждевременному выходу из строя.
Альтернативный вариант решения проблемы
Ограниченный срок практической эксплуатации свинцово-кислотных аккумуляторных батарей, при наличии всех остальных достоинств, вынуждали ученых искать альтернативные пути решения проблемы. К числу главных задач относился поиск того, как можно было бы замедлить процесс накопления сульфатов, приводящих обычно к полной деградации батареи.
Совместными усилиями ученых-химиков и конструкторов были получены новые разработки в области создания аккумуляторных батарей, где стали активно добавляться углеродные компоненты. Сегодня такие батареи носят название свинцово-кислотных карбоновых АКБ. Решение оказалось достаточно удачным, так как позволило значительно затормозить процесс разрушения решетки, а также сульфатации пластин, что продлило эксплуатационный срок.
Главная особенность карбоновых батарей
Как можно догадаться, главным элементом, который был добавлен в традиционную свинцово-кислотную батарею, стал углерод. Будучи достаточно интересным химическим элементом, обладающим способностью уверенно создавать неорганические цепочки, он широко присутствует в природе. Сегодня его извлекают из горючих сланцев, угля, торфа, графита и даже обычно бытовой сажи, что формирует низкую себестоимость при изготовлении изделий.
Более того, карбоновые батареи значительно расширили сферу применения АКБ за счет эксплуатационных свойств. Примечательно, что в новых карбоновых моделях используется специальный электролит, имеющий форму силикагеля SiO2. Такая коллоидная форма полимерного состава позволила сбалансировать пропорцию электролита с сепаратором Absorbent Glass Mat (AGM), что качественно снизила такое явление, как расслоение.
Новое протекание химической реакции
Более этого, новый коллоидный электролит значительно улучшил ионную проводимость батареи, а также теплопроводность, что позволило уменьшить риски терморазгона. Стоит отметить, что разработка и внедрение в активное производство карбоновых АКБ проходила в два этапа:
1. Здесь углерод вместе с кальцием и оловом добавлялся только в свинец, необходимый при изготовлении отрицательной решетки. Это позволило не только усилить коррозионную стойкость и повысить физическую прочность решетки, но также значительно улучшить ее проводимость. Более того, смесь свинца с углеродом способствовало выравниванию плотности электролита.
2. На данном этапе углеродные элементы стали добавлять также в активную массу отрицательных пластин, благодаря чему удалось значительно снизить процесс сульфатации.
Удачное решение в области применения данных химических компонентов обуславливается тем, что при добавлении частиц углерода к свинцовому отрицательному электроду, образуется особая сетчатая структура. Она значительно улучшает процесс накопления электрического тока, поскольку на поверхностях углерода возникают новые реакционные центры. При этом химические реакции внутри АКБ протекают более равномерно, что также положительно влияет на долговечность эксплуатации батареи.
В целом же использование карбона позволило значительно снизить эффект концентрированного осаждения сульфата свинца на отрицательном электроде. Таким образом, несмотря на то, что полностью избежать процесса сульфатации не удалось, химики смогли существенно замедлить такие негативные электрохимические реакции. Благодаря этому современные свинцовые кислотно-карбоновые аккумуляторы служат по времени дольше, нежели АКБ с гелевым электролитом или модели AMG типа.
Некоторые производители утверждают, что срок службы их батарей составляет 15 лет и более. Конечно, фактический срок эксплуатации во многом зависит от количества циклов заряда-разряда, а также особенностей буферного режима. Вместе с тем, неоспоримым остается тот факт, что свинцово-углеродная аккумуляторная батарея служит в несколько раз дольше, нежели обычный свинцово-кислотный АКБ. И это при тех же условиях эксплуатации, что имеет чрезвычайно важное значение. К примеру, если обычная AMG батарея рассчитана на 400-500 циклов буферного режима, то карбоновая батарея обеспечивает уже до 2000 циклов заряда-разряда, при сохранении 70% своей емкости.
Нельзя обойти стороной и такую особенность карбона, как способность использовать ускоренный заряд повышенными токами, но без опасений перегрева. Соответственно, такие батареи можно заряжать намного быстрее, что значительно повышает удобство эксплуатации.
Применение новых аккумуляторов
Благодаря качественному улучшению своих эксплуатационных свойств, аккумуляторные батареи таких моделей стали активно применяться в следующих сферах деятельности:
Таким образом, можно отметить, что карбоновые батареи обладают увеличенным ресурсом полезной эксплуатации, лучшей скоростью заряда, а также возможностью функционирования в буферном режиме на протяжении длительного периода времени. Примечательно, что такие АКБ не только приобрели новые технические характеристики, но и успешно переняли достоинства обычных герметизированные аккумуляторных. Все это дало новый толчок к развитию батарей, что позволило максимально оптимизировать их технические и эксплуатационные характеристики.
Шведский аккумулятор из углеродных волокон произведет революцию в дизайне автомобилей
К концу января 2021 года количество электроавтомобилей в России превысило отметку в 10 тысяч единиц, представленных 18 моделями 14 различных марок. При этом еще в январе 2020 года их количество не превышало 6 тысяч. Несмотря на значительный прирост, Россия еще не входит в топ-25 стран-лидеров по объему продаж электромобилей. Что обусловлено в первую очередь отсутствием на территории России официального представительства крупнейших производителей электрокаров и мировых брендов электромобилей. Также в России слабая мотивационная база, предоставляемая покупателям электромобилей. Поэтому автовладельцы все еще склоняются в пользу приобретения автомобиля с ДВС.
В правительстве уже принимаются меры для того, чтобы автовладельцы пересели на «электрички». Пакет мер для Федерального закона об экологичном транспорте разрабатывается уже несколько лет, при этом, по разным оценкам экспертов, будет принят не ранее 2023 года. Тогда как во многих странах Европейского Союза (ЕС) уже несколько лет существует ряд льгот и преференций для владельцев электрокаров. Но водителей отпугивает не только цена на электромобили, но и страх перед разряженной батареей за сотни, а иногда и тысячи километров от крупного города, в котором еще должна быть заветная зарядная станция, тем более в зимнее время при температурах в ряде регионов 30–40 градусов ниже нуля.
А в течение следующих нескольких лет аккумуляторы, которые будут использоваться в электромобилях, станут настолько дешевыми, что электромобиль будет стоить не больше, чем автомобиль аналогичного размера с двигателем внутреннего сгорания. Но эти электромобили по-прежнему будут весить больше, чем их аналоги с бензиновым двигателем, при этом аккумуляторные батареи в электромобилях составляет 20-25 процентов от общей массы транспортного средства.
Но выход есть: превратить конструктивные элементы автомобиля в сами аккумуляторы.
Батарея из углеродного волокна в виде крышки багажника
Задача
Главный технический директор Volvo Хенрик Грин говорит: «Как наиболее эффективно интегрировать аккумуляторную батарею в автомобиль? Ну, если вы делаете это традиционным способом, вы помещаете батарею в модуль; затем вы помещаете несколько модулей в коробку. Потом вы помещаете коробку в автомобиль, и тогда у вас есть стандартизированное решение, которое можно масштабировать в течение 10 лет.
Но по сути, это довольно неэффективное решение с точки зрения веса, пространства и т.д. Итак, здесь действительно можно пойти глубже, и как бы напрямую интегрировать «клетки в тело» и избавиться от этих модулей, коробок и прочего. Это задача, над которой мы работаем в будущих поколениях автомобилей, и она кардинально изменит их сборку».
Tesla также работает над разработкой новых аккумуляторных модулей, которые являются структурными элементами, но создает эти структурные модули из традиционных цилиндрических ячеек. Однако есть более элегантный подход к этой идее, и группа из технологического университета Чалмерса в Швеции во главе с профессором Лифом Аспом сделала прорыв в этом отношении.
Демонстрация тестовых батарей из углеродного волокна
Что это и с чем едят?
Наиболее широко углеродное волокно используется в качестве легкого и высокопрочного конструкционного материала в довольно дорогих экзотических автомобилях и самолетах, но постепенно он становится совершенно обычным явлением. Сегодня углеродное волокно используется в велосипедах и клюшках для гольфа, и даже можно приобрести себе бумажник из углеродного волокна.
Выдающиеся свойства углеродного волокна заключаются в том, что в качестве готового материала его можно сделать намного прочнее и легче, чем металлические детали аналогичного размера. Например, углеродное волокно имеет предел прочности на разрыв (то есть сопротивляется растяжению) примерно в четыре раза больше, чем сталь, и в восемь раз больше, чем алюминий. Кроме того, он намного жестче (сопротивляется изгибу), чем сталь или алюминий. При этом такое увеличение прочности сопровождается резким снижением веса: обычно деталь из углеродного волокна весит лишь треть от веса стальной детали того же объема.
Как композитный материал, углеродное волокно получает свою жесткость и легкость благодаря двум вещам: во-первых, это пряди углеродной нити, которая тоньше человеческого волоса, и эпоксидная смола, которая связывает углерод в форму. Второе, что придает композиту прочность, — это химические соединения для объединения двух материалов и последующего их смешивания. Процессы производства углеродного волокна различаются в зависимости от формы деталей, но все методы производства имеют «нить» и «клей».
Конструкция батареи представляет из себя анод из углеродного волокна и катод из алюминиевой фольги, покрытый фосфатом лития и железа, которые разделены стекловолоконным сепаратором в матричном материале структурного электролита батареи. Анод выполняет тройную функцию, удерживая ионы лития, проводя электроны и усиливая все одновременно. Электролит и катод аналогичным образом поддерживают структурные нагрузки и выполняют свою работу по перемещению ионов.
Тесты
Исследователи протестировали различные типы стекловолокна, в результате чего были получены элементы с номинальным напряжением 2,8 В, и достигли лучших результатов с точки зрения производительности батареи с более тонким полотняным переплетением. Элементы, использующие эту конструкцию, имели удельную емкость 8,55 Ач/кг, плотность энергии 23,6 Втч/кг (при 0,05°C), удельную мощность 9,56 Вт/кг (при 3°C) и толщину 0,27 мм. Для сравнения, это 4680 ячеек, которые Тесла помещает в свои машины, чтобы иметь плотность энергии 380 Втч/кг. Однако этот показатель плотности энергии для цилиндрических ячеек не включает массу структурной матрицы, которая их окружает (при использовании в качестве структурных панелей).
Батарея из углеродного волокна от Tesla
Что касается структурных нагрузок, то наибольшая жесткость была также достигнута при использовании простого стекловолоконного переплетения — 25,5 ГПа. Это примерно похоже на пластик, армированный стекловолокном, тогда как пластик, армированный углеродным волокном, даст результат в 10 раз больше, в зависимости от того, сделан трансферным формованием или является ткаными листами, предварительно пропитанные смолой (известные как pre-preg).
Группа профессора Аспа сейчас работает над тем, чтобы повысить жесткость и электрические характеристики заменой алюминиевой фольги катода на углеродное волокно. Группа также тестирует еще более тонкие сепараторы. Они надеются достичь 75 Втч/кг и 75 ГПа, что приведет к получению элемента, который будет намного жестче, чем алюминий (68 ГПа) и намного легче.
Перспективы
Создание электромобилей или даже самолетов из структурных композитных батарей — пока еще долгосрочный проект, и даже в лучшем случае структурные аккумуляторные элементы могут не скоро приблизиться к характеристикам специализированных элементов, используемых на данный момент. Но поскольку они заменят более тяжелые металлические конструкции, получившийся автомобиль должен стать намного легче, дешевле и экологичнее
Между тем, Асп считает, что преимущества использования такой технологии можно будет увидеть раньше: «Структурная батарея следующего поколения обладает фантастическим потенциалом. Через несколько лет вполне возможно будет производить смартфоны, ноутбуки или электрические велосипеды, которые будут весить вдвое меньше, чем сегодня, и будут в разы компактнее».
На правах рекламы
Наши эпичные серверы — это как Tesla в автомобилестроении. Используем новейшие процессоры от AMD, исключительно быстрые NVMe накопители от Intel и никогда не экономим на железе — только брендовое оборудование и самые современные решения на рынке!