Пользователь
0,0
рейтинг
30 января 2012 в 15:36

Ближайшее будущее аккумуляторных батарей из песочницы

В последние годы все острее встает вопрос усовершенствования мобильных источников энергии — вопрос как глобальный, так и повседневный. Глобальная сторона заключается в том, что человечество, остро нуждаясь в энергии в любой её форме, выбрало в качестве свободноконвертируемой электрическую. Причина – относительно низкие потери при обратном переводе из электрической в любую другую, а так же низкие потери при передаче от точки выработки (электростанция) до стационарной точки потребления (э/розетка). Основным источником электроэнергии на сегодняшний день является сжигание на ТЭС невозобновляемого углеводородного топлива, которого с каждым годом все меньше, а цена всё выше. Основной вред окружающей среде наносят тем не менее не ТЭС, а двигатели внутреннего сгорания автомобилей, в виду компактности не столь эффективные и оснащенные не столь же хорошими системами очистки.
Все говорит, что работай автомобили на электротяге, наш мир стал бы намного чище, а жизнь со временем даже дешевле

Но вряд ли многие из нас, не считая борцов за зеленый мир, и даже считая оных, думают об этом каждый день. Гораздо чаще мы вспоминаем недобрым словом какой-нибудь значок на дисплее нашего ноутбука или телефона, увидев что пользоваться им осталось минут 20. И вопрошаем:”Ну когда же они сделают нормальную батарейку, а?”.

Так или иначе, еще лет 15 и даже 10 назад этот вопрос не стоял столь остро. Но лучшее враг хорошего, и с повышением мобильности городского жителя, т.е. переходу от стационарного компьютера к ноутбуку, от простого мобильного телефона к смартфону запросы к мобильным источникам энергии резко возросли
С миниатюризацией бытовой электроники её разработчики должны выдерживать общее направление уменьшая и источник питания, жертвуя, таким образом, сроком автономной работы
Из этих двух проблем, двух актуальных запросов рождаются два требования, которые идут друг рядом с другом, но различать которые многим и даже больше, почти всем массовым источникам информации не удаётся
  • Гибридным и элеткромобилям нужны лёгкие аккумуляторы
  • Портативной электронике — компактные

К сожалению, высокие технологии — такая вещь, где прорыв не всегда осуществляется по заказу. И так: ”низы не могут, верхи не хотят”. ждать ли революцию в аккумуляторных технологиях? На этот вопрос и постарается пролить свет эта статья
главным побуждением же является желание развеять огромное недоразумение, которое создано с одной стороны журналистами-сенсационниками, с другой, возможно, учеными, чей крест — всегда преувеличивать свои и без того немалые достижения. Вот лишь несколько примеров новостей, одну из которых я услышал даже в новостях одного из центральных каналов.
New Li-Ion Batteries Will Run Ten Times Longer and Charge Ten Times Quicker
Now your laptop/mobile battery could last ten times longer
«Найден заменитель редких металлов для производства батареек… Ее можно будет использовать в смартфонах и других приборах, срок автономного использования которых увеличится»
«Amprius: More Energy in Batteries, Nanowire anodes could let lithium-ion batteries run twice as long»
Nanowire battery lasts 10 times longer
все они большинству из вас знакомы посвящены многообещающим батарейкам, которые будут в разы более ёмкими.

Состояние рынка


Если 20 век можно назвать веком электричества, то Energy density sketchпоследние 20 лет — это время мобильной электроники и именно развитию чиповой технологии батареи обязаны своими последними достижениями. Рост рынка портативной электроники на протяжении 20 лет служил источником роста рынка перезаряжаемых батарей. В 1983 году Motorola выпустила первый коммерческий мобильный телефон и с начала 90-х он уже стал повседневным явлением, также на начало 90х приходится рождение энергоэкономного ноутбука на Intel386 SL. Справедливо так же и обратное: новые химические источники тока открыли новую эру мобильной электроники. Так бурное развитие электроники совпадает коммерческим внедрением новых типов аккумуляторов: 1989 – NiMH, 1990 – Li-Ion.В настоящий момент рост рынка замедляется, и на смену этому двигателю приходит новый – перспективнейший рынок гибридных автомобилей.
На сегодняшний день, безусловно, самыми передовыми являются Литий ионные источники тока (Li-Ion).Потенциал данной технологии еще не раскрыт полностью и все кратко- и среднесрочные перспективы связанны именно с ними. Обратите внимание(рис.справа), что разброс показателей для различных конструкций Li-ion значительно шире, чем для предшествующих батарей, дело в том, что Li-ion – это принципиально новая схема работы батареи, представители которой могут весьма различааться компоновкой
На сегодняшний день электронный рынок, по видимому, не имеет серьёзных перспектив роста, поскольку своим пределом имеет все платежеспособное население. А с появлением смартфонов на каждого представителя приходится по 1-2 мультимедийного устройства или аккумулятора. Рисунок слева показывает, что к 2010 году число абонентов сот. сетей уже достигло 5,5 млрд
портативная электроника
(~10-12 млрд.$/г)
рынок электромобилей
(потенциально ~60-100 млрд $/г.)
На настоящий момент мобильная электроника нуждается в более компактных источниках тока, и для них критической характеристикой является удельная объемная ёмкость [Ah/l] и энергия [Wh/l] Для конкурентоспособности гибридных и электромобилей с классическими необходимо значительное облегчение батарей: увеличение их емкости [Ah/g], мощности[W/g], энергии на грамм аккумулятора [Wh/g]. Так же существенное увеличение долговечности и надежности, при снижении стоимости [Wh/$]


Развитие рынка перезаряжаемых батарейПрезидент Курехи «Литий-ионная технология,
будет доминировать
на рынке в этом столетии.»

Такао Ивасаки — президент Kureha Corp. (Матреиалы и компоненты для Li-ion батарей)

*по некоторым оценкам к 2020 году рынок может вырасти до 5-8 трил. йен (около 65-100 млрд.$)
В данный прогноз закладывается изобретение и внедрение новых типов литий-ионных батарей, поэтому с финансовой стороны все разработки в этой области пользуются щедрой поддержкой. В громких заявлениях в последнее время не было недостатка, мы же попробуем разобраться чего можно ожидать в ближайшие годы


Почитать

1.Очень детальное исследование рынка: LiB materials industry. Takato Watabe, Masashi Mori 26 January 2011. Deutsche Bank Group.


Конструкция аккумулятора


Итак, ближайшие десятилетие — это время литий-ионных батарей, поэтому мы не уделим должного внимания батареям будущего LiS и Li-air.
Поскольку сама конструкция батареи не претерпевает революционных изменений, мы можем оценить перспективы новых разработок, оттолкнувшись от уже имеющихся промышленных образцов.

Для прогноза характеристик на грамм и литр батареи, вспомним, что она состоит из двух электродов, и разделителя, а также токоснимателей, стального корпуса. Чтобы учитывать все компоненты, воспользуемся моделью цилиндрической батареи типа 18650 и 14430. Именно эти цилиндрические элементы являются начинкой аккумуляторов наших ноутбуков.

Методика оценки. Определение конструктивных параметров батареи


Рассмотрим 2 типа стандартных цилиндрических батарей: 14430 и 18650. Принципиально они состоят из рабочей части – скрученного из электродов и сепаратора ролика в электролите, и корпуса – стального контейнера, а так же крышек, клемм, предохранителей.

Для установления характеристик батареи в идеале нужно знать геометрию и массу всех входящих в неё компонентов, но поскольку этих данных в открытых источниках найти не удалось, то будем удовлетворять любопытство другими средствами:
Для установления веса и объема рабочей и вспомогательной частей батареи введем модель: батарея состоит из 3-х частей: Стальной вертикальной стенки (0.3-0.5 мм) цилиндрическая рабочая часть, а так же нижние и верхние вспомогательные части (фиолетовый цвет) могут быть приняты цилиндрами, фиксированной высоты, радиусом батареи и неизвестной плотности.
Принципиально батарея состоит из 3-х частей: рабочей(активной) части – скрученного из электродов и сепаратора ролика в электролите, и корпуса – стального контейнера, а так же крышек, клем, предохранителей.
Для установления веса и объема рабочей и вспомогательной частей батареи введем модель:
Активная часть — цилиндр (оранжевый), и корпус (can) — cтальная вертикальная стенка (wall) — трубка толщиной b=0.3-0.5 мм,. Нижние и верхние вспомогательные части (фиолетовый (add)) могут быть приняты цилиндрами(вообще одним цилиндром), и радиусом, равным внутреннему радиусу трубы стенок батареи, некой фиксированной высоты и неизвестной плотности.

Для определения с характеристиками сравним батарейки двух типов, но с одинаковой начинкой.

Диаметр D[mm] Высота H[mm] Вес M[g] Емкость C[Ah]
NoName14430 14 43 17 0.65
NoName18650 18 65 46 2.2

А теперь выжмем из этого максимум информации: очевидно что
V=πr2H
Mact+Mcan=M и Vact+Vcan=V

в свою очередь согласно модели
Mcan=Mwall+Madd и Vcan=Vwall+Vadd
характеристики стенки вычисляются напрямую
Vwall=п(r-b)r H
Mwallsteel Vwall
Vadd=п(r-b)2 x
Vadd=п(r-b)2 y
,
где х, у — просто параметры, обозначающие соответственно высоту и произведение высоты и условной плотности фиолетовой цилиндрической части.
Теперь воспользуемся тем, что емкость при одной и той же начинке пропорциональна её количеству

пользуясь приведенными выше формулами и данным, легко составить и решить следующую систему уравнений
, поскольку матрицы подчеркнутые зеленым уже известны.
Вычисление объема и массы электродов

Емкость электродов равна между собой и равна общей ёмкости батареи. пользуясь этим и зная примерно удельные емкости электродов в обычных батарейках, можно найти объем, отведенный под электроды в любой батарейке

Вычисление удельных ёмкостей электродов.
Электрод состоит из активного вещества смешанного с проводящим веществом и держателем, высушенные и имеющие некоторую пористость. Эта смесь крепится токоснимателю — металической фольге(алюминиевой для катода и медной для анода). Объемные пропорции коллекторов к обычным электродам восстановлены по данным [].
Далее легко установить объем занятый электролитом

Уточнение параметров модели производится путем уменьшения ошибки по массе

этих двух батареек и еще одной, современной Sony NexelIon 14430 химия и характеристики которой известны

Диаметр D[mm] Высота H[mm] Вес M[g] Емкость C[Ah]
NexelIon14430 14 43 20 0.91


Прогноз


Теперь, используя модель и зная массовые доли (wt%), плотность паковки, гравиметрическую ёмкость активного вещества, vol% объемную долю и плотность токоснимателя, легко восстановить полную консистенцию батареи, объёмные и гравиметрические ёмкости электродов. И сделать оценку характеристик будущего изделия. Иными словами мы можем оценить недостающие параметры существующих батарей и представить какими характеристиками будут обладать их аналоги с новыми электродами.
Дабы не утомлять излишней скрупулёзностью приведем результаты

Как видно из диаграммы прогноза ёмкости батареи с анодами LiNi1-x-yCoxMnyO2 (для ноутбуков и телефонов) видно, что в ближайшие 10-12 лет аккумуляторы могут стать ~30-50% компактней, главным образом за счет увеличения ёмкости анодов. Вопрос о большем росте упирается в изобретение более ёмких катодов, которых не видно. Пока единственная отрада — это покупать дополнительные аккумуляторы для ноутбуков, которые просто состоят из большего числа тех же цилиндрических элементов. В отношении смартфонов я, чесно говоря недоумеваю, почему производители телефонов игнорируют производство аккумуляторов увеличенной ёмкости, таких, какие они же производят для ноутбуков. В принципе я пользовался двумя стронними аккумуляторами Mugen Power и Seido и остался очень доволен обоими.

Для автопрома грядет действительно новый век:
Новые дешевые катоды должны снизить общую стоимость такой батареи ~50%, по сравнению с аналогичными для портативных устройств. Переход к наноструктурному инженерингу позволяет добиться значительного увеличения долговечности при работе на мощности в 10 или даже 100 раз превышающей современную. Отметим, что требованием к перспективным аккумуляторам для автомобилей является 10-15 кратное увеличение срока их службы, и оно все еще остается невыполненным (~5000 циклов)
Наврядли также какой-нибудь неизвестной фирме удастся вмешаться в борьбу таких гигантов как Sony, Panasonic, Sanyo, Samsung, 123systems итд, кроме как в виде StartUp'a, поскольку главным вопросом во внедрении новых батарей является их безопасность, а другими словами, репутация фирмы.

И наконец, как общий и оптимистичный вывод: Лучше будет, но не сразу и не так уж) и в чем не врут, так это в том, что можно будет зайти в условный кофехауз и зарядить свои батарейки за считанные минуты!

Прекрасно осознаю, что столь долгий пост не всем интересен, поэтому значительную его часть можно легко пропустить, перейдя к сразу к результатам. Ниже будет приведен достаточно развернутый обзор посвященный батареям вообще и детально Литий ионным технологиям, который должен разьяснить откуда «растут ноги» у сенсационых новостей, а так же расскахать о последних достижениях в этой сфере. Именно там будут приведены характеристики новых материалов, необходимых для прогноза

Часть II. Содержание



Батареи. Введение

Простейшая ячейка

Литий-Ионный аккумулятор


Химический источник тока. Батарея. Введение


До сих пор мы говрили о батареях исключительно с потребительской стороны, однако все дальнейшее рассмотрение уходит в детали работы устройств. В начале обзора, называя батареи – мобильными источниками энергии, автор сознательно избегал конкретизации: батареи — это мобильные источники тока, а конкретнее Химические Источники Тока (далее ХИТ). Их назначение — создавать электрический ток через подключенную внешнюю сеть. Другими словами, пропускать через неё поток электронов (Ток) с определенной ”силой” (напряжением)

Химия и Электроток


Следует пояснить, что хотя химия в первую очередь ассоциируется с разнообразными буквами и названиями, она, как наука, занимается не чем иным, как изучением электрических взаимодействий в веществе.
Как музыкант строит свою композицию из нот, так химик оперирует своими простыми элементами – химическими. Химический элемент это – устойчивая (а значит постоянно встречающаяся в том же самом виде) структура, состоящая из ядра (очень компактного сочетания тяжелых частиц — нейтронов и положительно заряженных протонов), и соответствующей заряду этого ядра оболочки легких отрицательно заряженных электронов. Каждый элемент отличается от предыдущего на 1 протон в ядре и соответственно, в нейтральном состоянии на один электрон в оболочке. Электроны расположены вокруг ядра на замысловатых «орбитах» — орбиталях. Эти орбитали обусловлены Кулоновским взаимодействием как с ядром, так и с соседствующими электронами.Периодическая таблицаНетрудно видеть, что в периодической таблице структура элементов повторяется в столбцах, меняясь лишь в масштабе, а следом повторяются и химические свойства элементов. Внешний слой электронов и участвует во взаимодействии с другими атомами. Сила притяжения пропорциональна заряду ядра, и обратно пропорциональна квадрату радиуса. Ряды в т. Менделеева показывают (с лева на право) заполнение внешней оболочки. При заполнении одной оболочки радиус орбиты её электронов примерно одинаков, поэтому слева на право при увеличении заряда ядра притяжение увеличивается и электроны притягиваются ближе к ядру. В то время как при начале заполнения новой, все внутренние оболочки отталкивают электроны новой, уменьшая тем самым силу привязки электрона к ядру, а следовательно радиус при переходе к новому ряду значительно увеличивается.электроотрицательность элементов
Важным следствием наличия таких сложных электрических взаимодействий является то, что электроны, избавляясь от лишних или присоединяя дополнительные (примерно как избавляются или принимают к себе игроков в карты), стремятся составить целиком заполненную оболочку, став максимально похожими на элементы последнего столбца – самодостаточных инертных газов. Эта закономерность получила название – правило октета (8 электронов на внешней орбите). Так или иначе, главным следствием вышенаписанного является тот факт, что различные элементы обладают различной способностью притягивать электроны. Это отражается в различных численных показателях (электроотрицательность, энергия ионизации, электронная притягательность), но главное, то что более ”сильный” элемент способен отобрать электрон у более слабого, а этот трансфер и есть электрический ток.
В современной классификации ХИТ подразделяются на первичные (батарейки) и вторичные (аккумуляторы). В данном изложении автор хотел бы подчеркнуть, что данные названия проистекают не из факта презаряжаемости полследних, а из того, что собранные в батарейку, первичные источники тока служат источником энергии сами по себе, а вторичные, лишь передают энергию, полученную от зарядного устройства

Эффект Гальвани и Франкенштейн


Гальвани и ЖабаДостоверно впервые эффект лёгший в основу ХИТ, был открыт Луиджи Гальвани, итальянским врачём. В серии его экспериментов с препарированной лягушкой среди прочего он при помощи лезвий двух разных металлов смог наблюдать сокращение мышцы и регистрировать электроток. Но вывод Гальвани ”Мышцы производят электричество” был неверен.Батарея Вольты Первым правильно истолковавшим явление и заключившим, что электродвижущая сила рождается из контакта двух разных металлов, был итальянский физик А. Вольта. Применив открытие на практике, Вольта создал первую химическую ячейку, которая получила имя Гальвани. На рисунке видна стопка чередующихся дисков Медь/Бумага с H2SO4/ Цинк. Другими словапми это последовательно соединенные электрохимические ячейки т.е. батарея э/х ячеек, которую мы с вами привыкли называть просто: Батарейка.

Для XIX века результаты первых опытов Гальвани были столь удивительны, что считалось: электроток способен поднимать мертвых.Гальвани и Жаба
На изображении того времени (справа) легко можно узнать Вольту в компании покойника и чертей. Собственно, доктор Франкенштейн — это лицо времени: название романа, по мотивам которого снята серия фильмов «Франкенштейн, или Современный Прометей» говорит само за себя. Это вовсе не фильм ужасов, это научнопопулярная фантастика, показывающая, как будоражило воображение людей того времени явление Электричества (посмотри).



Простейший ХИТ. Гальваническая пара



Рассмотрим самый первый источник тока, изобретенный Вольтой и носящий имя Гальвани.

Источником тока в любых батареях может служить исключительно окислительно-восстановительная реакция. Собственно это две реакции: атом окисляется, когда он теряет электрон. Получение же электрона назвыается восстановлением. То есть окислительно-восстановительная реакция протекает в двух точках: там откуда и там куда текут электроны.

Два метала (электрода) опущены в водный раствор их солей серной кислоты. Метал одного электрода окисляется, а другого восстанавливается. Причина протекания реакции в том, что элементы одного электрода сильнее притягива-ет электроны чем элементы другого. В паре металических электродов Zn – Cu ион (не нейтральное соединение) меди обладает большей способностью притягивать электроны, поэтому, когда существует возможность электрон переходит к более сильному хозяину, а ион цинка выхватывается раствором кислоты в электролит (некая ионопроводящая субстанция). Трансфер электронов осуществляется по проводнику через внешнюю электросеть. Праллельно с перемещением отрицательного заряда в обратном направлении через электролит перемещаются положительно заряженные ионы (анионы)(см. видео)

Во всех ХИТ, предшествующих Литий-ионным, электролит является активным участни-ком протекающих реакций
cм принцип работы свинцового аккуулятора

Ошибка Гальвани

Электролит тоже является проводником тока, только второго рода, перемещение заряда в котором осуществляют ионы. Человеческое тело является как раз таким проводником, и мышцы сокращаются из-за перемещения анионов и катионов.
Так Л. Гальвани случайно соединил два электрода через природный электролит – препарированную лягушку.

Характеристики ХИТ

Ёмкость – количество электронов (эл.заряд), которое может быть пропущено через подключенное устройство, до полного разряда батареи [Q] или [Ah=Q/3600]
Емкость всей батарейки образуют ёмкости катода и анода: сколько электронов способен анод отдать и сколько электронов катод способен принять. Естественно, ограничивающей, будет меньшая из двух ёмкостей.

Напряжение – разность потенциалов. характеристика энергетическая, показывающая какую энергию освобождает единичный заряд при переходе от анода к катоду [V=J/Q].

Энергия – работа, которую может совершить на данной ХИТ до его полного разряда.[J] или [Wh=J/3600]
Мощность – скорость отдачи энергии или работа в единицу времени [W=J/sec]
Долговечность или кулоновская эффективность — какой процент емкости безвозвратно теряется при цикле заряд-разряд.

Все характеристики предсказываются теоретически, однако из-за множества сложноучитываемых факторов большинство характеристик уточняют экспериментально. Так все они могут быть предсказаны для идеального случая, основываясь на хим составе, но макроструктура имеет огромное влияние как на ёмкость так и на мощность и долговечность.

Так долговечность и ёмкость в огромной степени зависят как от скорости зарядки/разрядки, так и от макроструктуры электрода.
Поэтому батарея характеризуется не одним параметром, а целым набором для различных режимов. Например, напряжение батареи (энергия трансфера единичного заряда**) может быть оценена в первом приближении (на этапе оценки перспектив материалов) из значений энергий ионизации атомов активных веществ при окислении и восстановлении. Но реальное значение – это разница хим. потенциалов, для измерения которых, а так же для снятия кривых заряда/разряда собирается тестовая ячейка с испытуемым электродом и эталонным.

Для электролитов на основе водных растворов применяют стандартный водородный электрод. Для Литий-ионных – металический литий.




*Энергия ионизации – это энергия, которую нужно сообщить электрону, чтобы разрушить связь между ним и атомом. То есть, взятая с обратным знаком, представляет собой энергию связи, а система всегда стремится минимизировать энергию связей
** Энергия единичного трансфера — энергия трансфера одного элеметарного заряда 1,6e-19[Q]*1[V]=1,6e-19[J] или 1eV(электронвольт)

Литий-ионные батареи


<В 80-х годах литий был предложен, как перспективный материал для анода, но ввиду высокой реактивности, и неконтролируемого преобрзования анода цикл за циклом, например, приводящего к росту литиевых ”веток”, достигающих напрямую катода, что приводило к короткому замыканию во вторичных батареях решили отказаться от использования металического лития в пользу соединений лишь вмещающих ионы лития. Свойства вмещать в себя литий у графита уже были описаны. И в 1991 годы Sony выпустила литиевые батарейки с графитовым анодом под ныне общеупотребимым названием Li-ion.
Как уже отмечалось, в литий-ионных батареях электролит не принимает непосредственного участия в реакции. Где же происходят две главных реакции: окисление и восстановление и как выравнивается баланс заряда?
Непосредственно эти реакции протекают между литием в аноде и атомом метала в структуре катода. Как уже отмечалось выше, появление литий ионных батарей – это не просто открытие новых соединений для электродов, это открытие нового принципа функционирования ХИТ:
Слабо связанный с анодом электрон вырывается по внешнему проводнику к катоду.
В катоде электрон сваливатеся на орбиту метала, компенсируя ему практически отобранный у него кислородом 4-й электрон. Теперь электрон метала окончательно присоединяеся к кислороду, и получающимся электрическим полем ион лития втягивается в промежуток между слоями кислорода. Таким образом огромная энергия литий ионных батареек достигается тем, что имеет дело не с восстановлением внешних 1,2 электронов, а с восстановлением более ”глубоких”. Например, для кобольта 4-й электрон.
Ионы лития удерживаются в катоде за счет слабого, порядка 10kJ/mol, взаимодействия (Ван дер Ваальса) с окружащими их электронными облаками атомов кислорода (красного цвета)


Li – третий элемент в таблице Менделеева, обладает низким атомным весом, и малыми размерами. Из-за того что литий начинает да к тому же лишь второй ряд, размер нейтрального атома довольно велик, тогда как размер иона очень мал, меньший, чем размеры атомов гелия и водорода, что делает его практически незаменимым в схеме ЛИБ. другое следствие вышесказанного: внешний электрон (2s1) имеет мизерную связь с ядром и легко может быть потерян (это выражается в том, что Литий имеет самый низкий потенциал относительно водородного электрода P=-3.04V).

Основные компоненты ЛИБ


Электролит


В отличие от традиционных батарей электролит вместе с сепаратором не принимает прямого участия в реакции а лишь обеспечивает транспорт ионов лития и не допускает транспорт электронов.
Требования к электролиту:
— хорошая ионная проводимость
— низкая электронная
— низкая стоимость
— малый вес
— нетоксичность
— СПОСОБНОСТЬ РАБОТАТЬ В ЗАДАННОМ ДИАПАЗОНЕ НАПРЯЖЕНИЙ и ТЕМПЕРАТУР
— препятствовать структурным изменениям электродов (препятствовать снижению ёмкости)
В данном обзоре я позволю обойти тему электролитов, технически сложную, но не столь важную для нашей темы. В основном в качестве электролита используется раствор LiFP6
Хотя считается, что электролит с сепаратором – абсолютный изолятор, в реальности это не так:
в Литий ионных элементах существует явление саморазряда. т.е. ион лития с электронами достигают катода через электролит. Поэтому необходимо держать аккумулятор частично заряженным в случае длительного хранения.
При больших перерывах в эксплуатации имеет также место явление старения, когда из равномерно насыщенного ионами лития выделяются отдельные группы, нарушая равномерность концентрации и снижая тем самым общую ёмкость. Поэтому при покупке аккумулятора, необходимо проверять дату выпуска

Аноды


Аноды – электроды обладающие слабой связью, как с ”гостевым” ионом лития, так и с соответствующим электроном. В настоящее время идет бум развития разнообразных решений для анодов Литий ионных батарей.
Требования к анодам
  • Высокая электронная и ионная проводимость (Быстрый процесс внедрения /извлечения лития)
  • Низкое напряжение с тестовым электродом (Li)
  • Большая удельная ёмкость
  • Высокая устойчивость структуры анода при внедрени и извлечении лития, что отвечает за кулоновскую

Методы улучшения:
  • Изменить макроструктуру структуру вещества анода
  • Уменьшить пористость вещества
  • Выбрать новый материал.
  • Применять комбинированные материалы
  • Улучшать свойства пограничной с электролитом фазы.


В общем аноды для ЛИБ можно разбить на 3 группы по способу размещения лития в своей структуре:
  • размещение в ”пазах” структуры анода, например, между слоями графена в графитах, в спинелях, а также слоистых нитридах 3d металов.
    плюсы: высокая структурная стабильность, долговечность.
    минусы: низкая ёмкость
  • растворение в кристалле другого вещества, образование сплавов – сплавы с кремнием, оловом, германием.
    плюсы: наибольшая ёмкость
    минусы: наибольшие структурные изменения: изменение объема в ~3-4 раза
  • реакции обена – взаимодействие с оксидами метала, заключающееся в замещении оксида основного метала, оксидом лития и обратно
    плюсы: большая ёмкость
    минусы: большие структурные изменения: изменение объема в ~2 раза


Аноды — хосты. Графит


Почти все запомнили из средней школы, что углерод существует в твердом виде в двух основных структурах – графите и алмазе. Разница в свойствах этих двух материалов поразительна: один прозрачен — другой нет. Один изолятор – другой проводник, один режет стекло другой стирается о бумагу. Причина в различном характере межатомных взаимодействий.
Алмаз – это кристаллическая структура, где межатомные связи образованы вследствие sp3 гибридизации, то есть все связи одинаковы — все три 4 электрона образуют σ-связи с другим атомом.
Графит образован sp2 гибридизацией, которая диктует слоистую структуру, и слабую связь между слоями. Наличие ”плавающей” ковалентной π-связи делает углерод графит превосходным проводником

Графит – первый и на сегодняшний день основной анодный материал, имеющий множество плюсов
Высокая электронная проводимость
Высокая ионная проводимость
Малые объёмные деформации при внедрении атомов лития
Низкая стоимость

Первым графит, как материал для анода был предложен еще в 1982 году S.Basu [1] и внедрён, в литий ионную ячеейку 1985 A. Yoshino [2]
Сначала в электроде графит использовался в природном виде и емкость его достигала лишь 200 mAh/g. Основным ресурсом повышения ёмкости было улучшения качества графита (улучшение структуры и очищение от примесей). Дело в том, что свойства графита значительно разнятся в зависимости от его макроструктуры, а наличие множества анизотропных зерен в структуре, ориентированных розно, значительно ухудшают диффузионные свойства вещества. Инженеры пытались повысить степень графитизации, но её повышение вело к разложению электролита. Первым решением было использовать измельченный низко графитизированный уголь смешанный с электролитом, что повысило ёмкость анода до 280mAh/g (технология все еще широко используется) Преодолеть это смогли в 1998 году введением специальных добавок в электролит, которые создают защитную прослойку на первом цикле (далее SEI solid electrolyte interface) предотвращающую дальнейшее разложение электролита [3] и позволяющую использовать искусственный графит 320 mAh/g. К настоящему времени емкость графитового анода достигла 360 mAh/g [4], а ёмкость всего электрода 345mAh/g и 476 Ah/l [8]

Реакция: Li1-xC6+Lix ↔ LiC6

Структура графита способна принять максимум 1 атом Li на 6 С, следовательно максимально достижимая емкость – 372 mAh/g(это не столько теоретическая, сколько общеупотребимая цифра поскольку здесь редчайший случай, когда что-то реальное превосходит теоретическое, ведь на практике ионы лития могут размещаться не только внутри ячеек, но и на изломах графитовых зерен)
С 1991г. графитовый электрод претерпел множество изменений, и по некоторым характеристикам, похоже, как самостоятельный материал, достиг своего потолка. Основным полем для совершенствования является повышение мощности, т.е. Скорости разряда/заряда батареи. Задача увеличения мощности является одновременно задачей увеличения долговечности, так как быстрая разрядка/зарядка анода приводит к разрушению стуктуры графита, ”протягиваемыми” через него ионами лития. Помимо стандартных техник повышения мощности, сводящихся обычно к увеличению соотношения поверхность/объем, необходимо отметить исследование диффузионных свойств монокристала графита по различным направлениям кристаллической решетки [5] показывающая, что скорость диффузии лития может различаться на 10 порядков.
назад к выводам


К.С. Новоселов и А.К. Гейм — лауреаты нобелевской премии по физике 2010г. Первоткрыватели самостоятельного использования графена
[1] Bell Laboratories U.S. Patent 4,423,125
[2] Asahi Chemical Ind. Japan Patent 1989293
[3] Ube Industries Ltd. US Patent 6,033,809
[4] Masaki Yoshio, Akiya Kozawa, and Ralph J. Brodd. Lithium-Ion Batteries Science and Technologies Springer 2009.
[5] Lithium Diffusion in Graphitic Carbon Kristin Persson at.al. Phis. Chem. Letters 2010/Lawrence Berkeley National Laboratory. 2010
[6] Structural and electronic properties of lithium intercalated graphite LiC6, K. R. Kganyago, P. E. Ngoep Phis. Review 2003.
[7] Active material for negative electrode used in lithium-ion battery and method of manufacturing same. Samsung Display Devices Co., Ltd. (KR) 09/923,908 2003
[8] Effect of electrode density on cycle performance and irreversible capacity loss for natural graphite anode in lithium ion batteries. Joongpyo Shim and Kathryn A. Striebel

Аноды Оловянные и Ко. Сплавы


На сегодняшний день одними из самых многообещающих являются аноды из элементов 14-й группы периодической таблицы. Еще 30 лет назад способность олова (Sn) образовывать сплавы (растворы внедрения) с литием была хорошо изучена [1]. Лишь в 1995 году Fuji анонсировала анодный материал основанный на олове (см, например [2])
Логичным было ожидать, что более легкие элементы той же группы будут обладать теми же свойствами, и действительно Кремний (Si) и Германий (Ge) показывают идентичный характер принятия лития
Li22Sn5, Li22Ge5, Li15Si4

Lix+Sn(Si,Ge) <-->LixSn(Si,Ge) (x<=4.4)
Основной и общей сложностью в применении этой группы материалов является огромные, от 357% до 400%, объёмные деформации при насыщении литием (при зарядке), приводящие к большим потерям в ёмкости в следствии утраты частью материала анода контакта с токоснимателем.

Пожалуй самым проработанным элементом даной группы является олово:
являясь наиболее тяжелым дает более тяжелые решения: максимальная теоретическая ёмкость такого анода 960 mAh/g, но компактные (7000 Ah/l -1960Ah/l*) тем не менее превосходящие традиционные углеродные аноды 3 и 8 (2.7*) раз соответственно.
Наиболее перспективными считаются аноды на основе Кремния, которые теоретически (4200 mAh/g ~3590mAh/g[5]) более чем в 10 раз легче и в 11 (3.14*) раз компактней (9340 Ah/l ~2440 Ah/l*) графитовых.
Si не обладает достаточной электронной и ионой проводимостью, что заставляет искать дополнительные средства повышения мощности анода
Ge, германий не упоминается так часто, как Sn и Si, но являясь промежуточным, обладает большой (1600 mAh/g ~2200* Ah/l) ёмкостью и в 400 раз более высокой, чем у Si ионной проводимостью, что может перевесить его высокую стоимость при создании высокомощной электротехники [4]

Наряду с большими объемными деформациями существует и другая проблема:
потеря ёмкости на первом цикле из-за необратимой реакции лития с оксидами

SnOx+x2Li+-->xLi2O+Sn
xLi2O+Sn+yLi+<-->xLi2O+LiySn

которых тем больше, чем больше контакт электрода с воздухом(чем больше площадь поверхности, т.е. чем мельче структура)
Разработано множество схем, позволяющих в той или иной степени задействовать большой потенциал этих соединений, сглаживая недостатки. Впрочем, как и достоинства:
Все эти материалы на сегодняшний день применяются в комбинированных с графитом анодах, поднимая их характеристики на 20-30%



* помечены значения, скорректированные автором, поскольку распространенные цифры не учитывают значительного увеличения объема и оперируют с значением плотности активного вещества(до насыщения литием), а значит совершенно не отражающих реальное положение дел
[1] M.S. Foster, C.E. Crouthamel, S.E. Wood, J. Phys. Chem., 1966
[2]Jumas, Jean-Claude, Lippens, Pierre-Emmanuel, Olivier-Fourcade, Josette, Robert, Florent Willmann, Patrick 2008
US Patent Application 20080003502.
[3] Chemistry and Structure of Sony’s Nexelion
Li-ion Electrode Materials
J. Wolfenstine, J. L. Allen,
J. Read, and D. Foster
Army Research Laboratory 2006.
[4] High Capacity Li-Ion Battery Anodes Using Ge Nanowires
[5] Electrodes for Li-Ion Batteries—A New Way to Look at an Old Problem
Journal of The Electrochemical Society, 155 ͑2͒ A158-A163 ͑2008͒.



Существующие разработки



Все существующие решения проблемы большх деформаций анода исходят из единого соображения: при расширении причиной механических напряжений является монолитность системы: разбить монолитный электрод на множество возможно более мелких структур, предоставив им расширяться независимо друг от друга.
Первый, самый очевидный, метод – это простое измельчение вещества с использованием какого-нибудь держателя, предотвращающего объединение частиц в более крупные, а также насыщение получившейся смеси электроно-проводными агентами. Схожее решение можно было проследить в эволюции графитовых электродов. Данный метод позволил добиться некоторого прогресса в увеличении ёмкости анодов, но тем не менее до полного раскрытия потенциала рассматриваемых материалов увеличив ёмкость (как объёмную, так и массовую) анода на ~10-30% (400-550 mAh/g) при невысокой мощности
Относительно ранним способом внедрения наноразмерных частиц олова (электролизом) на поверхность графитовых сфер,
Гениальный и простой взляд на проблему позволил создать эффективную батарею, используя обычный промышленно полученый порошок 1668 Ah/l[14]
Следующим шагом стал переход от микрочастиц к наночастицам: ультрасовременные батареи и их прототипы рассматривают и формируют структур вещества в масштабе нанометров, что позволило увеличить ёмкость до 500-600 mAh/g (~600 Ah/l*) при приемлемой долговечности [6]

Одним из много обещающих видов наноструктур в электродах явлются т.н. конфигураця оболочка-ядро, где ядро – шар малого диаметра из рабочего вещества, а оболочка служит ”мембраной” предотвращающей стращивание частиц и обеспечивающей электронную связь с окружением. Впечатляющие результаты показало исползование меди, как оболочки для наночастиц олова [8], показав высокую ёмкость (800 mAh/g540 mAh/g*) на протяжении многих циклов, а так же при высоких токах зарядки/разрядки. В сравнении с углеродной облочкой (600 mAh/g)[7] аналогично для Si-C [9] Поскольку Наношары целиком состоят из активного вещества, то её объемную ёмкость следует признать одной из самых высоких (1740 Ah/l (*))

Как отмечалось, для уменьшения пагубных воздействий резкого расширения рабочего вещества требуется предоставление пространства для расширения.
В последний год исследователи добились впечатляющего прогресса по созданию работоспособных наноструктур: нано стержней
Jaephil Cho [13] добился 2800 mAh/g низкой мощности на 100 циклов и 26002400 при более высокой мощности используя пористую силиконовыю структуру
а также устойчивые Si нановолокна, покрытые 40нм плёнкой графита, демонстрирующие 34002750 mAh/g (акт. в-ва) через 200 циклов.
Yan Yao и соавторы [12] предлагают исползовать Si в виде полых сфер, добиваясь поразительной долговечности: начальная ёмкость 2725 mah/g (и всего 336 Ah/l(*)) при падении ёмкости через 700 циклов менее 50%

В сеньтябре 2011 г. ученые из Berkley Lab [10] заявили о создании устойчивого электроно-проводящего геля,
который может совершить революцию в использовании кремнеевых материалов. Значение этого изобретения сложно переоценить: новый гель может служить одновремено держателем и проводником, предотвращая сращивание наночастиц и потерю контакта. Позволяет использовать в качестве активного материала дешевые промышленные порошки и, по завлениям создателей, сопоставим по цене с традиционными держателями. Электрод, изготовленный из промышленных материалов (нано порошок Si) дает устойчивые 1360 mAh/g и очень высокие 2100 Ah/l (*)
назад к выводам



*- оценка реальной ёмкости подсчитанная автором (см. приложение)
[1] M.S. Foster, C.E. Crouthamel, S.E. Wood, J. Phys. Chem., 1966
[2]Jumas, Jean-Claude, Lippens, Pierre-Emmanuel, Olivier-Fourcade, Josette, Robert, Florent Willmann, Patrick 2008 US Patent Application 20080003502.
[3] Chemistry and Structure of Sony’s Nexelion Li-ion Electrode Materials J. Wolfenstine, J. L. Allen, J. Read, and D. Foster Army Research Laboratory 2006.
[4] High Capacity Li-Ion Battery Anodes Using Ge Nanowires
[5] Ball milling Graphite/Tin composite anode materials in liquide medium. Ke Wang 2007.
[6]Electroless-plated tin compounds on carbonaceous mixture as anode for lithium-ion battery Journal of Power Sources 2009.
[7] the Impact of Carbone-Shell on Sn-C composite anode for Lithium-ion Batteries. Kiano Ren et al. Ionics 2010.
[8] Novel Core-Shell Sn-Cu Anodes For Li Rech. Batteries, prepared by redox-transmetallation react. Advanced Materials. 2010
[9] Core double-shell Si@SiO2@C nanocomposites as anode materials for Li-ion batteries Liwei Su et al. ChemCom 2010.
[10] Polymers with Tailored Electronic Structure for High Capacity Lithium Battery Electrodes Gao Liu et al. Adv. Mater. 2011, 23, 4679–4683
[12]Interconnected Silicon Hollow Nanospheres for Lithium-Ion Battery Anodes with Long Cycle Life. Yan Yao et al. Nano Letters 2011.
[13] Porous Si anode materials for lithium rechargeable batteries, Jaephil Cho. J. Mater. Chem., 2010, 20, 4009–4014
[14] Electrodes for Li-Ion Batteries—A New Way to Look at an Old Problem Journal of The Electrochemical Society, 155 ͑2͒ A158-A163 ͑2008͒.
[15] ACCUMULATEURS FIXES, US Patent 8062556 2006


Приложение


Частные случаи структур электродов:

Оценка реальной ёмкости наночастиц олова с медным покрытием Cu@Sn

Из статьи известно объемное соотношение частиц 1 к 3м




0.52 — это коэффициент паковки порошка. Соответственно остальной объем за держателем 0.48




Наносферы. Коэффициент паковки.
низкая объемная ёмкость приведенная для наносфер обусловлена тем, что сферы внутри полые, а следовательно коэффициент паковки активного материала очень низок

путь даже он будет 0.1, для сравнения для простого порошка — 0.5...07


Аноды реакций обмена. Оксиды металлов.


К группе перспективных без сомнения так же относятся Оксиды металлов, такие как Fe2O3. Обладая высокой теоретической ёмкостю, эти материалы так же требуют решений по увеличанию дискретности активного вещества электрода. В данном контексте здесь получит должное внимание такая важная наноструктура, как нановолокно.
Оксиды показывает третий способ включать и исключать литий в структуру электрода. Если в графите литий находится преимущественно между слоями графена, в растворах с кремнием, он внедряется в его кристаллическую решетку, то здесь скорее происходит ”кислородообмен” между ”основным” металом электрода и гостем – Литием. В электроде формируется массив оксида лития, а основной метал страстается в наночастицы внутри матрицы(см., например, на рисунке реакцию с оксидом молибдена MoO3+6Li++6e-<-->3Li2O+Mo)
Такой характер взамиодействия подразумевает необходимость легкого перемещения ионов металлов в структуре электрода, т.е. высокую дифузию, а это значит переход к мелкодисперсным частицам и наноструктурам

Говоря о различной морфологии анода, способах обеспечения электронной связи помимо традиционного (активный порошок, графитовый порошок + держатель), можно выделить так же другие формы графита, как проводящего агента:
Распространенным подходом является комбинация графена и основного в-ва, когда наночастицы могут быть расположены непосредственно на ”листе” графена, а он в, свою очередь будет служить проводником и буфером, при расширении рабочего вещества. Данная структура была предложена для Co3O4[1] 778 mAh/g и достаточно долговечная Аналогично 1100 mAh/g для Fe2O3[2]
но в виду очень низкой плотности графена сложно даже оценить на сколько применимыми являются подобные решения.
Другой способ — использование графитовых нанотрубок A.C. Dillon et al. экспериментируя с MoO3 показывают высокую ёмкость 800 mAh/g (600mAh/g* 1430 Ah/l*)c 5 wt% держателя[3] потерей ёмкости через 50 циклов будучи покрыты оксидом алюминия а так же с Fe3O4, без использованя держателя устойчивые 1000 mAh/g (770-1000 Ah/l*) Рис. справа: SEM снимок нановолокон анода / Fe2O3 c графитовыми тончайними трубками 5 wt %(белые) [3]
MxOy+2yLi++2ye-<-->yLi2O+xM
назад к выводам

Несколько слов о нановолокнах


В последнее время нановолокна являются одной из самых горячих тем для публикаций материаловедческих изданий, в частности посвященных перспективным батареям, поскольку обеспечивают большую активную поверхность при хорошей связи между частицами.
Изначально нановолокна использовались как разновидность наночастиц активного материала, которые в однородной смеси с держателем и проводящими агентами и образуют электрод.
Вопрос о плотности паковки нановолокон весьма сложен, поскольку зависит от множества факторов. И, видимо, сознательно практически не освещен (конкретно применительно к электродам). Уже это делает затруднительным анализ реальных показателей всего анода. Для составления оценочного мнения автор рискнул воспользоваться работой R. E. Muck[4], посвященной анализу плотности сена в бункерах. Судя по SEM снимкам нановолокон, оптимистичным анализом плотности паковки будет 30-40%
В последние 5 лет большее внимание приковано к синтезу нановолокон непосредственно на токоприемнике, что имеет ряд серьёзных преимуществ:
Обеспечивается непосредственный контакт рабочего матрериала с токоприемником, улучшается контакт с электроитом, снимается необходимость в графитовых добавках. минуется несколько стадий производства, значительно увеличивается плотность паковки рабочего вещества.
K. Chan и соавторы испытывая нановолокна Ge получили 1000mAh/g (800Ah/l ) для невысокой мощности и 800550(650450 Ah/l*) при 2С через 50 циклов [5]. В тоже время Yanguang Li и савторы показали высокую ёмкость и огромную мощность Со3О4: 1100800 mAh/g (880640Ah/l*) после 20 циклов и 600 mAh/g (480 Ah/l*) при 20 кратном увеличении тока [6]

Отдельно следует отметить и порекомендовать всем для ознакомления воодушевляющие работы A. Belcher**, которые являются первыми ступеньками в новую эру биотехнологий.
Модифицировав вирус бактериофаг, А. Белхер удалось построить на его основе нановолокна при комнатной температуре, за счет естественного биологического процесса. Учитывая высокую структурную четкость таких волокон, полученные электроды не только безвредны для окружающей среды, но и показывают как уплотнение паковки волокон, так и значительно более долговечную работу [7][8][9]
назад к выводам


*- оценка реальной ёмкости подсчитанная автором (см. приложение)
**
Angela Belcher – выдающийся ученый (химик, электрохимик, микробиолог). Изобретатель синтеза нановолокон и их упорядочивания в электроды посредством специально выведенных культур вирусов
(см. интервью)

Приложение


Как было сказано, заряд анода происходит через реакцию

Я не нашел в литературе указаний на фактические показатели расширения электрода при зарядке, поэтому предлагаю оценить их по наименьшим возможным изменениям. То есть по соотношению молярных объёмов реагентов и продуктов реакции (VLihitated — объём заряженного анода, VUnLihitated — объём разряженного анода) Плотности металлов и их оксидов можно легко найти в открытых источниках.
Форулы расчета Пример расчета для МоО3













Надо иметь в виду, что полученная объемная емкость это емкость сплошного активного вещества, поэтому в зависимости от вида структуры активное вещество занимает различную долю объема всего материала, это ы буде учитывать вводя коэффициент паковки kp. Например для порошка он 50-70%

[1] Highly reversible Co3O4/graphene hybrid anode for lithium rechargeable batteries. H.Kim et al. CARBON 49( 2011) 326 –332
[2] Nanostructured Reduced Graphene Oxide/Fe2O3 Composite As a High-Performance Anode Material for Lithium Ion Batteries. ACSNANO VOL. 4 ▪ NO. 6 ▪ 3187–3194 ▪ 2010
[3] Nanostructured Metal Oxide Anodes. A. C. Dillon. 2010
[4] A New Way Of Looking At Bunker Silage Density. R. E. Muck. U S Dairy Forage Research Center Madison, Madison WI
[5] High Capacity Li Ion Battery Anodes Using Ge Nanowires K. Chan et. al. NANO LETTERS 2008 Vol. 8, No. 1 307-309
[6] Mesoporous Co3O4 Nanowire Arrays for Lithium Ion Batteries with High Capacity and Rate Capability. Yanguang Li et. al. NANO LETTERS 2008 Vol. 8, No. 1 265-270
[7]Virus-Enabled Synthesis and Assembly of Nanowires for Lithium Ion Battery Electrodes Ki Tae Nam, Angela M. Belcher et al. www.sciencexpress.org /06 April 2006 / Page 1 / 10.1126/science.112271
[8]Virus-Enabled Silicon Anode for Lithium-Ion Batteries. Xilin Chen et al. ACS Nano, 2010, 4 (9), pp 5366–5372.
[9] VIRUS SCAFFOLD FOR SELF-ASSEMBLED, FLEXIBLE AND LIGHT LITHIUM BATTERY MIT, Belcher A. US 006121346 (A1) WO 2008124440 (A1)

Литий Ионные ХИТ. Катоды


Катоды литий ионных батареек должны главным образом быть способны принимать ионы лития, и обеспечивать высокое напряжение, а значит вместе с ёмкостью большую энергию.

Интересная ситуация сложилась в области разработки и производства катодов Li-Ion батарей. В 1979 году John Goodenough и Mizuchima Koichi запатентовали катоды для Li-Ion батарей со слоистой структурой типа LiMO2 под которые попадают почти все сущесвующие катоды литий ионных батарей. [1][2]
Ключевые элементы катода
кислород, как связующее звено, мост, а также ”цепляющего” литий своими электронными облаками.
Переходный метал (т.е.метал обладающий валентными d-орбиталями), поскольку он может образовывать структуры с различным числом связей. Первые катоды использовали серу TiS2[5][6], но потом перешли к кислороду, более компактному, а главное более электроотрицательному элементу, дающего практически полностью ионную связь с металами. Слоистая структура LiMO2(*) наиболее распространенная, и все разработки куртятся вокруг трёх кандидатов M=Co, Ni, Mn и постоянно засматриваются на очень дешевый Fe.
Fe Mn Ni Co
содержание в земной коре(ppm) 50000 950 75 25
Рыночная стоимость($/кг) 0.23 0.5 13 25
ПДК в воздухе (мг/м3) 10 5 1 0.1
ПДК в воде(мг/л) 300 200 13.4 0.7

Кобальт, вопреки многому, захватил олимп сразу и ужерживает её до сих пор (90% катодов), но благодаря высокой стабильности и правильности слоистой структуры со 140 mAh/g емкость LiCoO2 возросла до 160-170mAh/g, благодаря расширению диапазона напряжений. Но из-за редкости для Земли, Со слишком дорог, и его применение в чистом виде может быть оправдано только в малых батареях, например, для телефонов. 90% рынка занято самым первым, и на сегодняшний момент, все еще самым компактным катодом.
Никель был и остается многообещающим материалом, показывающим высокие 190mA/g, но он гораздо менее устойчив и такой слоистой структуры в чистом виде для Ni не существует[5]. Извлечение Li из LiNiO2 производит почти в 2 раза больше теплаx чем из LiCoO2[3], что делает его применение в этой области неприемлемым.
Марганец. Еще одной хорошо изученной структурой является, изобретенный в 1992г. Жан-Мари Тараско[4], катод вида спинели оксида марганца LiMn2O4: при немного более низкой ёмкости, этот материал гораздо дешевле LiCoO2 и LiNiO2 и гораздо надежней. На сегодняшний день это хороший варинат для гибридного автотранспорта. Последние разработки связаны с легированием никеля кобальтом, который значительно улучшает его структурные свойства. Так же отмечено значительное улучшение устойчивости при легировании Ni электрохимически неактивным Mg: LiNi1-yMgyO2. Известно множество сплавов LiMnxO2x, для Li-ion катодов.
Фундаментальная проблема — как увеличить ёмкость. Мы уже видели на примере олова и кремния, что самым очевидным способом увеличения ёмкости является путешествие вверх по переодической таблице, но к всеобщему сожалению, над ныне используемыми переходными металами ничего нет (рис. справа). Поэтому весь прогресс последних лет связанный с катодами в общем связан с устранением недостатков уже существующих: увеличением долговечности, улучшением качества, изучением их комбинаций (рис. выше слева)
Железо. С самого начала литий ионной эры предпринималось множество попыток задействовать железо в катодах, но все безуспешно. Хотя LiFeO2 был бы идеальным дешевым и мощным катодом, было показано[7], что Li не может быть извлечен из структуры в нормальном диапазоне напряжений [8]. Ситуация изменилась радикально в 1997 году с ис-следованием э/х свойств Оливина LiFePO4. Высо-кая ёмкость (170 mAh/g) примерно 3.4V с литиевым анодом и отсутсвие серьёзного падения ёмкости даже через несколько сот циклов. Главным недостатком оливина долгое время являлась плохая проводимость, что существенно ограничивало мощность. Для исправления ситуации были предприняты классические ходы (измельчение с покрытием графитом) используя гель с графитом удалось добится высокой мощности при 120mAh/g на 800 циклах. Действительно огромного прогресса удалось добиться мизерным легированием Nb, увеличив проводимость на 8 порядков.
Все говорит о том, что Оливин станет самым массовым материалом для электромобилей. За эксклюзивное обладание правами на LiFePO4 уже не первый год судятся A123 Systems Inc. и Black & Decker Corp, не без основания полагая, что за ним будущее электромобилей. Не удивляйтесь, но патенты оформлены все на того же капитана катодов — Джона Гудэнафа.
Оливин доказал возможоность использования дешевых материалов и пробил своеобразную платину. Инженерая мысль сразу же устремилась в образовавшееся пространство. Так, например, сейчас активно обсуждаются замена сульфатов флюрофосфатами, что позволит увеличить вольтаж на 0,8 V т.е. Увеличить энергию и мощность на 22% [9].
Забавно: пока идет спор о правах на использование оливина, я наткнулся на множество noname производителей, предлагающих элементы на новом катоде,
назад к выводам


* Все данные соединения устойчиво существую только вместе с Литием. И соответственно изготоавливаются уже насыщенные им. Поэтому при покупке батарей на их основе необходимо сначала зарядить аккумулятор, перегнав часть лития на анод.
** Разбираясь в развитии катодов литий-ионных батарей, невольно начинаешь воспринимать его, как дуэль двух гигантов: Джона Гудэнафа и Жана-Мари Тараско. Если Гудэнаф запатентовал свой первый принципиально успешный катод 1980 (LiCoO2) году, то др. Траско ответил двенадцатью годами позже (Mn2О4). Второй принципиальное достижение американца состоялось в 1997 году(LiFePO4), а в середине минувашего десятилетия француз занимается расширением идеи, внедряя LiFeSO4F, и занимается работами по использованию полностью органических электродов
[1] Goodenough, J. B.; Mizuchima, K. U.S. Patent 4,302,518, 1980.
[2] Goodenough, J. B.; Mizushima, K. U.S. Patent 4,357,215, 1981.
[3] Lithium-Ion Batteries Science and Technologies. Masaki Yoshio, Ralph J. Brodd, Akiya Kozawa
[4] Method for preparation of LiMn2 O4 intercalation compounds and use thereof in secondary lithium batteries. Barboux; Philippe Shokoohi; Frough K., Tarascon; Jean-Marie. Bell Communications Research, Inc. 1992 US Patent 5,135,732.
[5] Lithium Batteries and Cathode Materials. M. Stanley Whittingham Chem. Rev. 2004, 104, 4271−4301
[6] Rechargeable electrochemical cell with cathode of stoichiometric titanium disulfide Whittingham; M. Stanley. US Patent 4,084,046 1976
[7] Kanno, R.; Shirane, T.; Inaba, Y.; Kawamoto, Y. J. Power Sources 1997, 68, 145.
[8] Lithium Batteries and Cathode Materials. M. Stanley Whittingham Chem. Rev. 2004, 104, 4271−4301
[9]A 3.6 V lithium-based fluorosulphate insertion positive electrode for lithium-ion batteries. N. Recham1, J-N. Chotard1, L. Dupont1, C. Delacourt1, W. Walker1,2, M. Armand1 and J-M. Tarascon. NATURE MATERIAL November 2009.



Приложение



Емкость катодов определяется опять же, как максимальный извлеченный заряд на на вес вещества, например группы
Li1-xMO2+Li++e- ---> LixMO2

Например для Co

при степени извлечения Li x=0.5 емкость вещества будет

На данный момент улучшение в техпроцессе позволили увеличить степень извлечения и достичь 160mAh/g
Но, безусловно, большинство порошков на рынке не достигают этих показателей


Органическая эра.
В начале обзора одним из главных побуждающих факторов в переходе к электромобилям мы назвали снижение загрязнения окружающей среды. Но возьмем, например, современный гибридный автомобиль: он, безусловно, сжигает меньше топлива, но при производстве аккумулятора к нему на 1 kWh сжигается примерно на 387 kWh углеводородов. Конечно, такой автомобиль выбрасывает меньше загрязняющих веществ, но от парникового газа при производстве все равно никуда не деться (70-100 kg CO2 на 1 kWh). К тому же в современом обществе потребления товары не испрользуются до исчерпания их ресурса. То есть срок на то, чтобы ”отбить” этот энергетический кредит невелик, а утилизация современных батарей занятие дорогое, и не везде дос-тупное. Тем самым, энергетическая эффективность современных аккумуляторов все еще под вопросом [1].
В последнее время появилось несколько обнадеживающих биотехнлогий, позвооляющих синтезировать электроды при комнатной температуре. А. Белчер (вирусы), Ж.М. Тараско (использование бактерий).


Отличным примером такого перспективного биоматериала является литизированный оксокарбон – Li2C6O6 (Радизонат Лития)[2], который, обладая способностью обратимо размещать в себе до четырех Li на формулу, показал большую гравиметрической ёмкость но поскольку восстановление связано с пи-связями, несколько меньшим по-тенциалом (2.4 V). Аналогично рассматривают, как основу для положительного электрода, другие ароматические кольца [2], так же рапортуя о существенном облегчении батарей.
Главным ”недостатком” любых органических соединений является их малая плотность, поскольку вся органическая химия занимается легкими элементами С, H, O и N. Чтобы понять насколько перспективным является данное направление достаточно сказать, что эти вещества могут быть получены из яблок и кукурузы, а также легко утилизируемы и перерабатываемы.
Радизонат лития уже считался бы самым перспективным катодом для автопрома, если бы не ограниченная плотность тока (мощность) и самым перспективным для портативной электроники, если бы не низкая плотность материала(низкая об. емкость) (рис. слева). А пока это еще только один из самых многообещающих фронтов работ.
назад к выводам


[1] например см. Hybrid vs disel
[2] Yasushi Morita et al.Nature Mat. 10,947–951(2011)



Конечно, что-то описано очень поверхностно, может даже не совсем корректно, но достаточно, чтобы очертить перспективы
ВСЕГО ВАМ ИНТРЕСНОГО
@polosatymyx
карма
89,0
рейтинг 0,0
Реклама помогает поддерживать и развивать наши сервисы

Подробнее
Реклама

Самое читаемое

Комментарии (141)

  • +151
    кто дочитал — тот в отпуске
    • +3
      Читать весь пост не обязательно, сразу тем более.
      первая часть — кому любопытно, что будет дальше
      а вторая — для тех, кому любопытна сама тема
      • +1
        Вот и разбили бы)
        А так очень интересный пост
        • +12
          Ксожалению, не мог: это «инвайтный» пост. А без второй части выводы первой безосновательны.
          • +11
            Все правильно! Не надо разбивать! А то мода пошла на разбивку: только во вкус войдёшь, а статеечка (иначе два абзаца с картинкой не назвать) уже и кончилась, мол ждите мои следующие два абзаца в другой части.
            Хотя это наверное народ просто с ППА носится.
            Великолепнейшая статья! Всё к месту и по делу! Спасибо.
    • +3
      Я болею(
  • +2
    Мне ваш пост напомнил avr123. Такой же длинный и почти такой же беспощадно пестрящий, как и его курс.
    • +5
      Боюсь, что тут длина несомненно кореллирует с пестротой) такой длинный пост без форматирования читался б непросто, на мой взгляд
  • 0
    Вы эту статью точно для Хабра написали? На диссертацию потянет…
    • +7
      Точно, просто меня как-то попросили рассказать, что в батарейках творится на сегодняшний день
      Разобрался, рассказал. Меня так ужаснуло то, на сколько искажена информация в открытых источниках, что решил за одно со всеми поделиться)
      • 0
        Да, кто-то может стянуть и предоставить как магистрскую или «аспиранстскую авторскую работу по теме» (уж не знаю, как они там зовутся, то ли доклады, то ли рефераты…)

        А об отечественных разработках там есть? :) Извините, лень сейчас самому всё пересматривать. Тем более, что всегда есть искушение начать где-то с середины читать, переходить по ссылкам и забыть что искал :)
        • +2
          Сейчас большинство проектов международные, а разработки принадлежат скорее компаниям, нежели какой-либо стране, отечественных разработок там нет. Как выяснилось, принципиальными разработками в этой области занимается довольно узкий круг ученых. Но в нем есть довольно известные русские ученые.
          Недавно прочел, что наша РОСНАНО совместно с китайцами построили в России крупнейший завод по производству Li-ion аккумуляторов в свете повышения спроса на них со стороны автопрома.
          • 0
            Кстати, этот завод находится в пригороде Новосибирска.
        • +1
          Как тут недавно выяснили — Хабр слишком быстро индексируется, и, я уверен, через некоторое количество времени эта статья будет первая по релевантным запросам. Выдавать статью, которая первая в списке поисковиков за свою, пожалуй, будет только человек, потерявший инстинкт самосохранения.
          • 0
            Если кто-то хочет просто украсть статью, то это исключительно его жизненные проблемы. В случае необходимости, настоящий автор всегда докажет свое первенство. А вот использовать и ссылаться дело обычное и даже хорошее)
    • +1
      Ну и хорошо. Какому-нибудь студенту — готовый реферат/курсовая. )
  • +3
    Точно, просто меня как-то попросили рассказать, что в батарейках творится на сегодняшний день
    Разобрался, рассказал. Меня так ужаснуло то, на сколько искажена информация в открытых источниках, что решил за одно со всеми поделиться)
  • +1
    Сразу все не осилил с работы, но добавил в избранное, обязательно дома дочитаю.
    Спасибо!
    • 0
      Тоже с работы не осилил. Надо дома и в субботу с утреца. Автору большое спасибо!
    • +1
      Давайте посоревнуемся, кто быстрее прочтет? Статья годная, хорошая, но как обычно, плюсуясь в избранное имеет очень большие шансы быть непрочитанной.
  • 0
    Сильно. И длинно. В закладки поставил, как будет время — прочитаю. Спасибо!
  • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
  • –7
    ИМХО: нужно было разбить пост на 3-4 поста поменьше, типа: 'Чась 1', 'Часть 2' и т.д….
    • +2
      К сожалению, не мог. думал. но — это «инвайтный» пост. Вторая часть — база к первой
  • +1
    На диплом потянет)
    • +3
      Ну, по хорошему — нет. Статья-то полностю описательная, научной новизны нет. Хотя, в наших универах это никого особо не волнует :)
      • 0
        Вы правы, но диплом научной новизны не требует по определению, причем нигде. Так что как раз где-то на диплом и есть, только коротковата слегка:)
        • 0
          Invite. Просто добавь воды.
  • +9
    автором проделана потрясающая работа.
    аплодирую стоя. хабр снова торт :-)
    • +7
      Спасибо!)
      • +4
        Со времен «принципа цикады» habrahabr.ru/blogs/css/117160/ это вторая статья, перед автором которой я в глубоком поклоне. Спасибо вам!
        • 0
          Спасибо за новодку на материал… Там же сокровище.
  • 0
    Интересно и очень много, хотя и логически разделено — можно по частям читать(что и сделаю — дочитаю из закладок :) )
    Грамотно и красиво оформленная статья (прям на зависть — есть с кого пример брать), в таком виде хоть в журнале публикуй.
    Автору огромное спасибо
    • +1
      Спасибо! хабр — тот же журнал)
  • 0
    Были же публикации на тему батарей на бета излучении… Вроде неплохая замена существующим. Если пустят в производство, прогнозы не сбудутся.
    • +2
      У них вроде как свои минусы — малая мощность исходно, линейное падение мощности при разряде. Такие батареи хороши для слабо потребляющих устройств, которые должны проработать десяток и более лет без замены питания, но запитать от такой коммуникатор, не говоря уж об автомобиле, проблематично.
  • 0
    В отношении смартфонов я, чесно говоря недоумеваю, почему производители телефонов игнорируют производство аккумуляторов увеличенной ёмкости
    очень похоже на заговор, с целью заставить покупателей раскашелится на новые смарты через годик,
    удивился быстрому появлению Motorolla MAXX с емкостью ~3000м/амп, и тому что моторолла не ставит эти батарейки в обычный RAZR
    • 0
      В базовой версии их не ставят, наверное, потому, что телефон будет больше размером и хуже продаваться, а вот почему они не выпускают доп. батареи для желающих, — не понятно
    • 0
      Почему это не делают, вот например крафтманн делает 2800 mah: akkumulyator-telefon.ru/akkumulyator_Samsung_i9100_s.html
      • 0
        Это не фирменный. Их крышки выпирают уродливым горбом, делаются из дешевого пластика, облезают, скрипят и не дают использовать стандартные чехлы.
        • 0
          Ну чтобы не выпирал это не возможно т.к. с увеличением емкости увеличивается размер аккумулятора.
          • 0
            Потому и невозможно, что он не фирменный. Если бы размер учитывали при проектировании — не выпирал бы.
  • –4
    Вчера возвращается домой 6 летняя дочурка с вопросом — что такое электрический ток? А тут такой пост.
    Спасибо автору, теперь знаю чем ее занять — дам почитать статью. Думаю месяца на три четыре ей хватит.
    • +6
      Не издевайтесь над ребёнком!
    • 0
      А ведь сказать, что это движение маленьких частиц, имеющих заряд + или минус — дело 10 секунд…
      • 0
        Конечно. И получить от ребенка вопрос — что такое частица и что такое заряд. И почему плюс и минус.
        • 0
          И отлично. Если ребенок удовлетворится ответом, в котором ему что-то непонятно — это будет неправильный ребенок:)
          Я глубоко уверен, что почти все вокруг нас можно объяснить 6-тилетнему ребенку такими словами, чтобы он понял. И длинные лекции не всегда нужны.
          • 0
            безусловно. Просто я недостаточно передал иронию в своем первом сообщении.
            Тем не менее я до сих пор не смог подобрать слова чтобы объяснить что такое электричество.
            • 0
              Зависит от возраста ребенка. Своему двухлетнему я пока только сказал, что ток нужен, чтобы работала бытовая техника в доме, и что без родителей провода, розетки и т.п. трогать нельзя, так как ток может больно укусить.
              А для шестилетки, скажем, вполне подойдет наглядная аналогия с водой и трубами, к примеру. Ток — вода. Провода — трубы. Электростанция — насос, качающий ток по проводам. Чтобы лампочка загорелась, нужно замкнуть контакты, как бы соединить разъединенные концы трубы и организовать замкнутый путь. Напряжение в данной терминологии будет разницей уровней воды (а научно, как вы помните, напряжение тоже разница — разница потенциалов) в двух сообщающихся сосудах. Если их соединить и они стоят на одном уровне — вода между ними переливаться не будет. Если же один выше — потечет вода (ток) туда, где ниже. Чем больше разница уровней — тем сильнее потечет. Исходя из этих довольно простых аналогий уже легко объяснить, почему, к примеру, не погибает птица на проводе — нет разницы потенциалов между лапками.
              • 0
                > Исходя из этих довольно простых аналогий

                Расскажите через четыре года, чем всё закончилось.
  • –1
    Хабр тот.
  • +5
    Автор помог какому-то ленивому студенту с выбором темы для готовой курсовой :) С формулами и списком использованной литературы
  • 0
    Не хватает резюме. Типа «в ближайшие два года ожидается увеличение ёмкости батарей в смартфонах вдвое. Автомобильные аккумуляторы станут легче в 1,5 раза».
    • 0
      Выводы приведены в начале, в конце первой части
  • –1
    Основным источником электроэнергии на сегодняшний день является сжигание на ТЭС невозобновляемого углеводородного топлива, которого с каждым годом все меньше, а цена всё выше

    Тут вы не совсем правы, новая-старая теория абиогенного происхождения нефти говорит что углеводы (нефть, газ и т. д.) возобновляемы, благодаря этой теории в СССР успешно находили новые месторождения, причем там где по общепринятой (растительной) теории ее не должно быть.
    • 0
      Спасибо! очень интересно, обязательно почитаю почитаю.
  • 0
    Для мобильных устройств нужно не только батарею наращивать, но и выжимать из производительности всё. Посмотрите на телефоны Philips! Да, по сравнению со смартфонами ничего не могту… но ZX-Spectrum на их 3,5МГц могли многое, даже 3D чёрно-белое.
    • 0
      тогда все на довольно низком уровне писалось. я не совсем не специалист, но мне кажется, так оптимизировать модульный код уже никогда не удастся
  • 0
    Спасибо. На редкость серьезная, обстоятельная публикация.
    • 0
      Спасибо, приятно
  • 0
    А с топливными элементами всё накрылось? Идея же была очень хороша.
    • 0
      Их активно выпускают, но в качестве основного источника энергии для портативной электроники не используются. Дорого. Читал о выпускаемых зарядных устройствах и резервных электростанциях на топливных элементах. В космической промышленности тоже используют.
      Вот статейка небольшая есть:
      www.3dnews.ru/offsyanka/Fuel-cells-freedom-from-the-outlet
    • 0
      Топливные элементы, кстати, хоть сейчас отошли чуть-чуть в тень, но тем не менее активно развиваются.
  • 0
    Еще интересен вопрос с перспективами NiZn аккумуляторов.
  • +1
    Хотелось бы добавить об использовании LiFePO4-батарей в автопромышленности.
    Не знаю, как там с американскими патентами, но в данный момент ведущим производителем таких батарей является китайская корпорация BYD (и, наверное, с патентным вопросом там всё чисто, судя по тому, что инвесторами и акционерами являются Уоррен Баффет и Билл Гейтс, а корпорация Daimler локтями распихивала другие автомобильные компании за право подписания эксклюзивного соглашения о сотрудничестве).
    Эти батареи уже активно используются BYD`ом в электромобиле E6 и гибридах F3DM и F6DM (суммарное количество продаж всех трёх в Китае за 2011 год — больше 1000 штук), которых ждёт блестящее будущее ввиду поддержки «зелёных» автомобилей правительством Китая (нулевой налог на продажи в 2012 году; дополнительные преференции таксопаркам, владеющим электромобилями и гибридами). Кроме того, сейчас считается, що производство таких батарей является наименее загрязняющим окружающую среду, как ввиду хорошей энергоёмкости и КПД (ведь всем очевидно, что сама по себе батарея не является панацеей, она просто является аккумулятором энергии, производство которой уже загрязнило среду где-то на ТЭЦ или гидроэлектростанции), так и ввиду меньшего количества токсичных отходов при утилизации (президент той же корпорации BYD как-то на пресс-конференции демонстративно выпил электролит из LiFePO4-батареи).
    • +3
      Полтора года откатался на такой батарее. Сегодня получил трек-номер посылки от производителя — едет ко мне новая на 48V 20Ah. Будущее для меня уже наступило. По результатом сделаю пост и сдам ссылку на предприятие.
      • 0
        А что за транспортное средство?
        • 0
          Присоединяюсь. На чем катаетесь?
          Электровел или ока с гибридом?

          Согласно закону, если скорость такой самоделки менее 50км\ч и мощность менее 4кватт то можно не регистрировать в ГАИ и ездить без ПТС.
          • 0
            У нас свои правила — не более 250W колесо. Только по дороге. Только в каске. У меня 380W и 40 км/ч обычное дело. По городу машины обгоняю.
        • +1
          Велосипед переделанный. Была 48V 10Ah, но в декабре начала дохнуть — наверно одна ячейка убилась. Быстро берет заряд, быстро садится — контроллер отключает, что-бы за критические напряжения не вышла. Пока заказал, пока с оплатой пересылки договаривались, пока китайские праздники…

          Собственно место и так не жалко представить.
          www.bmsbattery.com

          У них кстати уже NiCoMn есть.
          • 0
            Можно вас попросить сделать пост на тему вашего электровела на хабр?
            Как собрали, время езды, фото. Тема очень интересная и актуальная.

            Как например про маховики тоже был бы интересный пост.

            Электромобили здесь, тут, тут, вот и вот.
    • 0
      Согласитесь, что производство электроэнергии на «стационарных» электростанциях гораздо более эффективно и экологично, чем сжигание топлива в ДВС.
      Не берусь приводить цифры, но логика подсказывает, что тот же ДВС, работающий в постоянном режиме без переменных нагрузок, должен иметь КПД выше, чем мотор, приводящий в движение автомобиль.
      • 0
        Меньше параметров — легче найти оптимальный режим.
      • 0
        Согласитесь, что производство электроэнергии на «стационарных» электростанциях гораздо более эффективно и экологично, чем сжигание топлива в ДВС.
        Несомненно, неустановившиеся режимы работы и режимы частичных нагрузок оказывают резко отрицательное действие на экологичность и топливную экономичность ДВС. А с учетом общего уровня загрязнений атмосферы автотранспортом (до 50% выбросов углекислого газа; до 30% выбросов оксидов азота) и невысокой степени использования двигателя обычного легкового автомобиля (для мегаполиса средней руки а-ля Киев характерным является режим работы бензинового двигателя с степенью открытия дросселя 50% и частотой вращения коленвала 30...55% от номинальной) ситуация выглядит просто катастрофической в планетарном масштабе. Но, тем не менее, элктроавтомобили, как по мне, являются всего лишь временной полумерой, всего лишь вехой на пути к использованию в будущем каких-нибудь по-настоящему экологичных транспортных средств вроде атомных треножников или чего-то подобного.

        Не берусь приводить цифры, но логика подсказывает, что тот же ДВС, работающий в постоянном режиме без переменных нагрузок, должен иметь КПД выше, чем мотор, приводящий в движение автомобиль.
        Конечно, термический КПД хорошего бензинового двигателя падает с 46% при режимах работы, близких к оптимальным, до 34% при нагрузке, составляющей 20% от номинальной.
      • 0
        Логика дейстительно подсказывает, что стационарный должен быть с бОльшим КПД, но в действительности основной параметр, определящий КПД — это разность крайних температур рабочего тела (см. цикл Карно).
        Если нижний порог у ДВС и паровой турбины примерно одинаков и, грубо говоря, равен температуре окружающей среды, то верхний сильно отличается, так как в ДВС рабочим телом является горючая смесь, которая разогревается до температуры горения, а в паровой турбине — пар, который нагревается сравнительно слабо. Поэтому как это ни странно, КПД стационарных турбин чуть ниже, чем в ДВС. Но что касается экологии, то турбины однозначно выигрывают из-за более полного сгорания топлива, хорошей очистки и отсутствия топливных присадок.
        Существуют также газовые турбины и турбины с перегретым паром (КПД которых может быть даже выше, чем у ДВС), но в электростанциях они используются редко.
        Но есть небольшой финт ушами — в ТЭЦ (тепло-электро централь) отработанный пар идет на нагрев воды и отопление домов, поэтому КПД можно считать 70-90%.
        • 0
          Не забываем, что для извлечения определенных фракций из нефти тоже надо энергию потратить. И процесс тоже сомнительной экологичности. А в горелки ТЭЦ хоть газ, хоть мазут, хоть уголь толченый подавай.
    • +1
      Кстати, про «выпить электролит»: Случайно узнал, что раньше 7UP был изначально «Bib-Label Lithiated Lemon-Lime Soda» и представлял собой газированный цитрат лития — антидепрессант. Если вспомнить, что изначально Кока-кола делалась именно на коке и была стабилизатором настроения, то становятся видны корни улыбчивого заокеанского общества.
      Литий часто используется в психиатрии, как компонент антидепрессантов, а Президент однозначно в теме :))
  • +1
    Кстати маховеки сейчас более перспективны в плане накопления энергии. Осталось сделать их из нанотрубок.
    • +1
      Мобильник с маховиком будет замечательно смотреться…
      На гранитном постаменте из цельной скалы с горы Арарат.
      • 0
        Так же, как и с нынешними аккумуляторами.
      • +1
        Да даже не в том шутка, шутка в том, что поворачивать будет трудно. Но зато можно будет вертикально на стол ставить и он не будет падать.
        • +1
          Зависит от того, в какой плоскости будет вращаться маховик.
          • 0
            А если в горизонтальной — то представляете как будет вдавливать машину в землю при подъеме в гору?
            Или же как она будет спускаться с горы? Если там будет супермаховик то она спускаться будет только на задних колесах.

            Хотя если сделать гироскопическую установку размещения супермаховика, то он будет всегда в одной плоскости, а машина сможет наклоняться и в гору и с горы.
            • +2
              Тогда нужен супермаховик на кардановом подвесе — можно крутить машину в любом направлении )
            • 0
              Кстати, у вас немного неверное представление о действии гироскопических сил — эта сила направлена перпендикулярно плоскости действия силы. Т.е. если машина начинает спускаться с горы, то ее начинает уводить в сторону, зато если машина решит повернуть, то тут она встанет на дыбы или передние колеса (в зависимости от направления поворота и направления вращения маховика).
              • 0
                В вашем случае — ось вращения гироскопа вертикальная.
                В моем — горизонтальная. Так она может поворачивать без проблем. Это учтено…
                • 0
                  ru.wikipedia.org/wiki/Файл:Gyroscope_wheel-text-ru.png
                  Смотрите на иллюстрацию — ось маховика лежит горизонтально и направлена в направлении движения автомобиля. Машина поворачивает налево (фиолетовый вектор), тогда гироскопические силы поднимают машину на задние колеса (зеленый вектор).
    • 0
      Ваш короткий комментарий я бы немного расширил.
      Действительно супермаховики являются альтернативными накопителями энергии и как замена аккумуляторов, но с более долгосрочным временем работы. Вот здесь есть общая статья на эту тему. А вот здесь как раз сказано и про нанотрубки.

      Процитирую самое интересное место, заставляющее задуматься на тему «а что, если»…

      А если заглянуть в более отдалённое будущее, то можно обнаружить совершенно фантастические вещи. Например, маховики из углеродного нановолокна. К сожалению, этот материал пока ещё слишком новый, слишком дорогой и изготовляется в небольших количествах. Однако, в углероде недостатка нет и также нет сомнения, что технология массового производства углеродного нановолокна будет разработана. Чем-же так примечателен этот материал? А тем, что имеет чрезвычайно высокую прочность. Изготовленный из него маховик будет иметь невероятную ёмкость 1 МВт*ч/кг!!! Фактически, легковой автомобиль с маховиком массой 100кг можно будет однократно «зарядить» прямо на автозаводе и этого заряда хватит на весь срок эксплуатации автомобиля! Хотя, конечно, такого делать не будут, т.к. придётся возле каждого автозавода строить по несколько атомных энергоблоков для зарядки автомобилей.
      • 0
        Чегой-то сомнительно про 1 МВт*ч/кг. На википедии написано 700 Вт*ч/кг (2.5 МДж).
      • 0
        Интересно, что маховики пока не нашли применения в «не мобильных» средах. А ведь энергию нужно накапливать всегда (если сам аккумулятор стит столько чтобы для этого себя окупать)
        • 0
          Нашли. Becon Power.
          Системы поддержки частоты в электросетях. Чтобы не было перепадов напряжения в городах.
          «Съедает» все пики напряжения в городе и отдает когда усиливается потребление.
          Например цикл утро-вечер, когда вечером весь город начинает потреблять больше напряжения, а утром меньше. А электростанция тогда утром работает вхолостую, а вечером нахватка напряжения. Чтобы такого не было ставят подстанции, например супермаховики, как в примере.
          • +1
            В СССР были такие «бесперебойники» — огромный маховик раскручивался и находился в таком состоянии постоянно. В аварийном случае подключался к генератору до момента, пока дизели заведутся.
            • 0
              совершенно верно! Маховики — это один из самых древних и распространенных накопителей энергии: например, в большинстве механических прессов энергия накапливается именно так. это так же оправдано для выравнивания, как сглаживающее передаточное звено, скажем на ветровых электростанциях.
              Это накопители механической энергии, и чтобы использовать ее в каком либо другом виде, да хотя бы даже в том же самом, кроме того же вращения соседнего вала, придется много чего городить, только представьте!))
              • 0
                … хм хотя если сразу на генератор, не подумал)
  • 0
    Браво!
    Статья вызвала восторг!
    Спасибо — очень интересно!
    • 0
      Спасибо!
  • 0
    Вывод из написанного и вопрос к автору:
    значит, чтобы сохранить (продлить) жизнь (при хранении) купленной LiPo надо хранить ее в разряженном состоянии?

    И проблема продления жизни батареи в том, что литий вступает в контакт с чем попало и расходуется. Чем герметичнее корпус, тем дольше живет LiPo — значит для успокоения души еще один слой изоляции в виде запаянного пакета может продлить ее жизнь?
    • +3
      Лучший способ её убить. У LiPo есть напряжения выше и ниже которого её нельзя доводить — они от этого начинают быстро деградировать. То, что мы сейчас вставляем в свои сотовые и ноутбуки — это не просто химия — это точный компромисс многих параметров — ёмкости, рабочих температур, времени заряда, крепости корпуса и его веса, количества циклов заряд-разряд, наверно изготовитель знает еще кучу вещей, о которых бестолочь, типа меня и не подозревает, но с которыми приходится считаться, чтобы батарея была изготовлена и потом прослужила приемлемое время.

      ps. Разрядить её полностью не получится — сработает защита. А потом она полежит, сядет еще сильнее и та-же защита не даст её заряжать. А в это время батарея будет быстро терять свой ресурс. Можно «в наглую» очень аккуратно зарядить её, как NiMH до момента превышения критического напряжения, а потом уже в штатном режиме. Но тут уже как повезет — если сделать сразу — минимум потерь, если пару недель полежит разряженная — может вообще в мусор пойти.
      • 0
        Все очень верно, только про полный разряд уточню
        во всех Литий-ионных батарейках присутствует саморазряд, то есть присутствует слабая диффузия(заметная лишь при длительном хранении) лития от анода к катоду, притом со временем обеднение анода и электролита литием может превысить допустимый уровень(то что каждый день предотвращает контроллер). Поскольку диффузионное продвижение лития не требует внешней цепи, то остановить её контроллером нельзя. Поэтому такие батареи перед длительным хранением заряжают примерно на 40%, и по возможности хранят в холоде, замедляя диффузию. Так что лучше заказывайте батарейки прямо от производителя(из китая, например), ну или в серьёзных местах, где вы можете быть уверены, что они не лежали пол года на жаре
  • 0
    Всегда было интересно узнать, аккумуляторы для большинства мобил. устройств которые бы жили более 30 дней без перезарядки не делают по физическим или маркетологическим причинам?

    ps: не считая серию Philips-Xenium, которая в моей стране не сертифицированна.
    • +1
      Все дело в огромном энергопотреблении мобильных устройств. Все дело в том, прогресс в чиповой технологии приучил потребителя, что каждая следующая модель будет делать больше, а выглядеть меньше. Чипы-то становятся, а вот батарейки — еле-еле. Так мы уже пришли к тому, что телефон представляет собой просто огромный экран. Если условная компания «Кийо» выпускает следующий телефон больше, чем предыдущий, пусть даже функциональней, то она может забыть о продажах
      • 0
        Вопрос в том если сегодня, технически можно сделать аккумуляторы например на 5000 mAh при тех же размерах как у 1000 mAh?
        • 0
          Нет, это невозможно
  • 0
    Хочу себе в коммуникаторы батареи на топливных этементах. Чтоб месяц не заряжать. Жаль, в статье не описаны.
    • 0
      И как вы это себе представляете? Сами посчитаете — хватит вам литра бензина на месяц или нет?
  • –2
    Нда, разбить бы на 5-6 статей, а то букаф уж очень много.
  • 0
    Мощно! И время в автомойке пролетело незаметно. Спасибо )
    • 0
      Ничего себе :) Когда я работал на автомойке у нас и перекурить не всегда время было.
      • 0
        Думаю, имелась ввиду очередь в автомойке
  • +1
    Про содержание и объём статьи уже сказали. Хочу добавить, ещё и свёрстано очень здорово.
    • 0
      Спасибо!
  • +2
    Есть ещё такая штука, бетавольтики, когда-то давно в 2007-м году вышла новость широко растиражированная, о том что батарейки на 30 лет изобрели, появился даже сайт русскоязычный — betavoltaic.ru
    Но с 2007-го года новостей по этой технологии практически нет, и непонятно, что там делается.

    Принцип работы основан на слабом бета-излучении, которое выбивает электроны, за счет чего появляется слабый электрический ток.
    • 0
      Обожаю когда комментарии не менее интересны, чем статья!
      Спасибо, не знал!

      Здесь подробнее про бетавольтики.
      Устанавливаются в медицинские приборы и космические зонды.
    • 0
      Мне со школы всегда помнилось, что бета-излучение — и есть электроны.
  • 0
    Побольше бы таких статей (по качеству и оформлению). Плюсую.
  • +1
    >>> Гораздо чаще мы вспоминаем недобрым словом какой-нибудь значок на дисплее нашего ноутбука или телефона, увидев что пользоваться им осталось минут 20. И вопрошаем:”Ну когда же они сделают нормальную батарейку, а?”.

    Неет, я обычно вопрошаю: «Ну когда же оно все будет заряжаться по воздуху, а?»
  • +1
    «Поедем на ионисторе» — 1980 год…

    Еще один накопитель энергии — ионистор или суперконденсатор. Находится между конденсаторами и аккумуляторами.
    • 0
      Интересная статья по теме.
  • –1
    Ок, а что на счёт батареек на спирту? Пришел в офис\домой, прицепил телефончик к станционарному бутлю, налил грамм 50 — и день аппарат живет. Быстро, удобно + еще и экологично может быть. Не?
    • 0
      Спирт не продается открыто. Слишком взрыво и огнеопасно. Дома хранить литр спирта?

      У каждого… В россии… Дома… Литр спирта…

      Дальше мысль продолжать?
      • 0
        По поводу литра спирта дома: насколько я помню, в топливных элементах планировали использовать метанол, а это совсем не то, что имеет смысл употреблять вовнутрь… Ну если только один раз… последний.
        • 0
          Обычная история в армии — отравились антифризом. Ну вот что его пить? Нет, с упорством народ травится.
          • 0
            Да я тоже много чего пил в своей жизни — и «красную шапочку», и «попугайчика», даже как-то раз пили «АХД-2000» ( www.infodez.ru/product/115_ahd_2000_spetsial_sprey.html ). Вот только метанол пить мне в голову не приходило. С тем же успехом можно хлебнуть керосина, например.
            • 0
              Уверяю, керосин будет намного безопаснее
              • 0
                Да, конечно. Но я о том, что пьющие всякую чушь хотят добиться некоторого эффекта, а метанол и керосин в плане желаемого эффекта равнозначны. Последствия для здоровья, разумеется, разные.
  • 0
    А почему нет ни слова о литий-полимерных аккумуляторах? Как-раз тут направление развития выбрано правильное (произвольная форма)
    • 0
      это во многом та же самая штука, которая будет использовать все те же достижения. но чтобы ясно очертить разницу, пришлось бы уводить от сути в детали, в сторону.
      а так, вы абсолютно правы.
    • 0
      я не был уверен, что такая длинная статья вообще понравится)
  • 0
    Переназовите пост, пожалуйста «Будущее литий-ионных батарей», а то я расчитывал почитать про что-нибудь более передовое, вроде квантовых аккумуляторов.
    • 0
      простите, это Ближайшее будущее
      • 0
        Я верю что в ближайшие 10 лет придумают что-нибудь новое. Без лучших на порядок батарей электромобили «не поедут». А должны. Уже не стоит вопрос электромобили или нет, стоит вопрос завтра или послезавтра. Путь в виде «выбивания» каких-то жалких процентов из технологии Li-ion тупиковый, это же очевидно. Нужно не +50% к характеристикам батарей. Нужно +500%. И такие технологии найдут, я не сомневаюсь.

        Вы как-то очень быстро закрыли тему альтернативных технологий, в качестве аргумента процитировав президента компании производящей литий-ионные батареи. Странно было бы если бы он говорил что эта технология себя исчерпала.
        • 0
          Простите, но это не вопрос верю/не верю. Я писал о том, в чем разбирался, и новые технологии я искал. Зачем мне тратить драгоценный текст на обзор тупиковых веток. Просто технологий действительно нет. Есть множество нестандартных подходов к получению гораздо менее эффективных батареек, но со своими плюсами. Есть множество довольно смешных мистификаций.
          НО, вы абсолютно правы, что в течении 10 лет что-то изобретут. Уже есть первые более-менее рабочие прототипы Li-Air аккумуляторов, так же Li-S. Они будут гораздо лучше. Но пока нет даже нормально работающих прототипов. Как только они появится должно пройти не менее 5-7 лет до первого промышленного образца.
          Так что на ближайшие лет 10, будьте спокойны :)
          • 0
            Простите, так хочется ездить на электромобиле, надоели ДВС :) Даже подумываю насчет Nissan Leaf из Японии.
          • 0
            А что на счет вышеупомянутых суперконденсаторах? По сути — это и есть очень перспективная альтернативная технология. Хотя, что характерно для альтернативных технологий, работающие образцы пока еще уступают обычным аккумуляторам :)
            • 0
              Суперконденсаторы — это накопители энергии совсем для других целей, а именно для быстрого заряда и быстрого разряда, то есть для короткой работы на высокой мощности. То есть они совсем не конкуренты. новые высокомощные аккумуляторы, возможно, чуть чуть потеснят суперконденсаторы, но вряд ли значимо.
  • +1
    Слушайте, вы такой охуенный. Извините.
    • 0
      )) Что вы, Ничего, вы совершено правы
  • 0
    статья длиннее комментариев. преклоняюсь перед терпением автора
  • 0
    вообще ничего не понятно

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.