Удельная плотность энергии аккумуляторов литий ион

Почему стоит переплатить за литиевый аккумулятор

Перед теми, кто задумался о сборке электровелосипеда своими руками, довольно часто встаёт вопрос выбора типа аккумулятора. И первое, что приходит в голову — использовать свинцово-кислотный аккумулятор. Причины такого выбора на первый взгляд очевидны — низкая стоимость и простота конструкции (не требуется плата управления BMS).

Однако есть весомые аргументы, которые могут побудить вас отказаться от использования свинцового аккумулятора в пользу литий-ионного. Давайте разберём их по порядку.

1. Разница в весе

Не секрет, что свинцовые аккумуляторы весят больше литий-ионных, но часто этому не придают значения, ставя в приоритет преимущество в цене. Тем не менее, для электровелосипеда низкий вес может оказаться важнее цены, так как его вы будете поднимать и спускать по лестнице (возможно даже каждый день), а иногда загружать в автомобиль для транспортировки.

Кроме того, дополнительный вес не лучшим образом сказывается на динамике разгона и торможения. Больше вес — выше инерционность — значительнее износ тормозных колодок. Также применение тяжёлых свинцовых аккумуляторов увеличивает нагрузку на раму и систему подвески велосипеда.

Рассмотрим, к примеру, аккумулятор на 36 В ёмкостью 7-7,5 Ач. Свинцово-кислотное исполнение представляет собой три последовательно соединённых аккумулятора по 12 В 7Ач, а литий-ионный вариант — 30 ячеек типоразмера 18650 по 2500 мАч и плата BMS, весом около 100 грамм.

2,5 Ач 3,6 В 0,05 кг

3S1P (3 элемента)

10S3P (30 элементов)

Вес готовой батареи

Из таблицы видно, что вес свинцового аккумулятора превосходит вес литий-ионного более чем в 4 раза, и эта разница будет влиять на эксплуатационные характеристики велосипеда, в том числе на запас хода на одном заряде.

Стоит также учесть, что в случае, если вы забыли зарядить батарею перед поездкой, возвращаться на педалях со свинцом на борту будет гораздо тяжелее.

2. Плотность энергии

Литий-ионные аккумуляторы по плотности энергии превосходят свинцовые в несколько раз. В нашем случае свинцово-кислотный аккумулятор имеет абсолютную ёмкость 252 Втч (7 Ач * 36 В) при весе 6,9 кг. То есть плотность энергии составляет 36,5 Втч/кг.

В то же время, литий-ионный аккумулятор при абсолютной ёмкости 270 Втч (7,5 Ач * 36 В) весит 1,6 кг, то есть его плотность энергии составляет 168 Втч/кг, что превосходит значение свинцового аккумулятора более чем в 4 раза.

3. Срок службы и ТО

При эксплуатации аккумулятора его ёмкость постепенно снижается, и скорость этого снижения зависит сразу от нескольких факторов, среди которых глубина разряда, температура эксплуатации и другие.

Срок службы аккумулятора, при соблюдении правил его хранения и эксплуатации, определяется количеством циклов заряда-разряда. Для свинцово-кислотных батарей эта характеристика находится в диапазоне от 200 до 1000 циклов, у литий-ионных аккумуляторов — в диапазоне от 1000 до 4000 циклов.

Кроме этого, свинцовые батареи имеют более высоких саморазряд, и требуют периодического обслуживания — подзарядки и корректировки плотности электролита. Литий-ионные батареи практически не требуют обслуживания, так как функцию балансировки, то есть выравнивания напряжений на ячейках, выполняет плата управления батареей (BMS, Battery Management System).

4. Эффективность (КПД)

Коэффициент полезного действия свинцовых аккумуляторов при правильной эксплуатации составляет около 80-90%. Другими словами, если на зарядку батареи потрачено 100 Вт энергии, то на разряде она отдаст только 80-90 Вт.

У литий-ионных батарей этот параметр достигает 95-97%, то есть практически вся энергия, затраченная при заряде, будет возвращена при подключении нагрузки.

5. Ток заряда и время полной зарядки

Оптимальным током заряда для свинцовых аккумуляторов считается ток, равный 10% от ёмкости аккумулятора в ампер-часах (0,1С), то есть в рассмотренном выше случае при ёмкости 7 Ач оптимальный зарядный ток составит 0,7 А. При быстрой зарядке допускается ток 0,2С (в нашем случае 1,4 А). В обоих случаях ближе к концу процесса зарядки этот ток должен быть уменьшен.

Для литий-ионных аккумуляторов ток заряда лежит в пределах от 0,2С до 1С (при быстрой зарядке), то есть при ёмкости аккумулятора 7 Ач он составит от 1,4 А до 7 А. Заряд осуществляется сначала постоянным током, а затем, при достижении верхнего напряжения, ток постепенно снижается.

В большинстве случаев на полную зарядку свинцового аккумулятора требуется 8-16 часов времени, на зарядку литий-ионного — всего 2-4 часа. Это преимущество по времени позволяет существенно подзарядить литий-ионную батарею даже во время остановки в кафе на обед, если вы отправились в дальнее путешествие.

6. Влияние высоких температур

При эксплуатации в условиях высоких температур происходит быстрая деградация аккумулятора. Но что подразумевается под понятием высокой температуры и откуда она берётся?

При подключении к аккумулятору нагрузки, например, в виде электродвигателя велосипеда, через него начинает протекать ток. Каждый аккумулятор имеет своё внутреннее сопротивление. Соответственно, протекание тока приводит к постепенному нагреву аккумулятора — конечно, в зависимости от силы тока. Чем мощнее нагрузка (выше ток), тем быстрее происходит нагрев.

Если нагрузка слишком высокая для данного аккумулятора, он довольно быстро нагревается, и начинается процесс его ускоренной деградации. Результатом этого процесса является существенное снижение ёмкости аккумулятора, и как следствие, необходимость его последующей замены.

Для свинцового аккумулятора деградация начинается при превышении температуры 25 градусов, для литий-ионного — при превышении 45 градусов по Цельсию.

Заключение

Давайте подведём итог всему вышесказанному. Если вы уже приняли решение использовать свинцово-кислотный аккумулятор на электровелосипеде, используйте. Но если всё-таки аргументы, приведённые в данной статье, вас переубедили, и склонили к приобретению литий-ионного аккумулятора, вы определённо останетесь довольны его значительно меньшим весом, компактными габаритами, отсутствием потребности в обслуживании, более длительным сроком службы и скоростью зарядки.

Кстати, если сравнить разницу в денежном выражении, получим следующее. Три свинцовых аккумулятора обойдутся в сумму около 5 тысяч рублей. Сборка батареи заключается только в последовательном соединении этих аккумуляторов.

Литий-ионную батарею на 7,5 Ач 36 В лучше приобретать в собранном виде, и она обойдётся вам в сумму около 10 тысяч рублей (из Китая дешевле, но дольше, при сомнительном качестве и без гарантии). Это в 2 раза дороже свинцово-кислотного исполнения, но она обладает довольно существенными преимуществами.

Кроме того, литий-ионные аккумуляторы можно приобрести сразу с корпусом, предназначенным для установки на раму велосипеда, и с зарядным устройством в комплекте. Это позволит сократить время сборки, обеспечит надёжную работу батареи и безопасность при эксплуатации.

Если статья Вам понравилась, или даже оказалась полезной, подписывайтесь на наш канал в Яндекс.Дзен. Впереди будет ещё больше интересного!

Источник

Плотность энергии

Почему аккумуляторы не резиновые?

Количество (плотность) энергии аккумулятора зависит от типа электрохимической схемы и является определяющим фактором технологического прогресса.

Благодаря аккумуляторам мобильные устройства отвязались от розетки, но далеко отползти пока не удаётся. Аккумулятора хватает на 1 день автономной работы смартфона, несколько часов ноутбука и полчаса квадрокоптера. Электромобиль может проехать до 400 километров, но его аккумулятор весит половину этого автомобиля и стоит тоже половину. Причина одна: плотность энергии современных аккумуляторов слишком маленькая.

Количество энергии (Wh), которое может запасти аккумулятор в удельном весе (кг) или удельном объеме (m 3 ) в первую очередь зависит от типа электрохимической схемы аккумулятора. На заре мобильной эры использовались никель-кадмиевые (Ni-Cd) и никель-металлогидридные (Ni-MH) аккумуляторы. Плотность энергии была низкой (50-100 Wh/kg), а мобильные устройства громоздкими и тяжелыми. Переход на литиевые аккумуляторы позволил значительно увеличить плотность энергии. Сейчас наибольшей плотностью энергии обладают литий-полимерные аккумуляторы (250 Wh/kg).

Несмотря на то, что за последние 10 лет плотность энергии увеличилась в 2 раза, мобильные устройства по-прежнему представляют собой большой аккумулятор с маленькой платой и экраном. Более того, производители мобильных устройств с целью уменьшения размера устройства уменьшили относительный размер аккумуляторов, в результате современным смартфонам одного заряда стало с трудом хватать на день. Чтобы обеспечить автономную работу смартфона или ноутбука в течение недели необходимо повысить плотность энергии в 10 раз.

Простые способы исчерпаны

Также невозможно бесконечно увеличивать площадь электродов путем уменьшения их толщины. Алюминиевая и медная фольга толщиной 50-100 мкм может быть заменена на более тонкую, но это грозит повреждением при изготовлении и коррозией при эксплуатации. Таким образом, простые способы повышения плотности энергии практически исчерпаны.

Технологическая революция

Национальная безопасность

Еще одним важным фактором сдерживающим развитие аккумуляторов являются национальные интересы нефтепроизводящих стран: в первую очередь США и России. В настоящий момент развитие электромобилей является дотационным и поддерживается правительствами только из экологических соображений. Электромобили не представляют экономической угрозы для двигателей внутреннего сгорания, так как электроэнергия первоначально вырабатывается из нефтепродуктов на тепловых электростанциях. Изобретение мощных аккумуляторов даст зеленый свет развитию зеленых технологий, которые без должного аккумулирования энергии пока малоэффективны: солнце светит днем, ветер дует когда хочет, а не когда надо потребителям. Если же себестоимость выработки и хранения зеленой энергии станет дешевле черной, то развитие электромобилей и электросамолетов начнется естественным (бездотационным) путем, а энергетическим монополиям придется потесниться.

Часто задаваемые вопросы:

Что такое плотность энергии?

• Количество энергии на единицу объёма.
• Для батареи плотность энергии — это количество энергии (Wh), которое может запасти аккумулятор в удельном весе или удельном объеме.

Увеличится ли плотность энергии аккумулятора, если добавлять катодный материал?

• Увеличив количество ионов лития, увеличивается количество заряда, а значит должна возрасти плотность энергии аккумулятора. В теории должно быть именно так.
• Только на практике ионы с меньшей эффективностью вылетают с катода.
• В итоге, увеличивается саморазряд, уменьшается ресурс и безопасность.

Аккумуляторы повышенной ёмкости — это миф или реальность?

• Да, реальность, но в разумных пределах.
• Нет, это маркетинговая уловка.

Источник

Сравнение аккумуляторов различных типов

Аккумуляторы играют важную роль в нашей жизни, и многие обыденные вещи сейчас уже просто немыслимы без них. Мы зависим от хорошей и надежной работы аккумуляторов, поэтому, чтобы они стабильно работали, надо знать, какими свойствами они обладают и как с ними обращаться. В данной статье рассматриваются характеристики различных типов аккумуляторов, такие как удельная энергия, срок службы, нагрузочные характеристики, необходимость технического обслуживания, скорость саморазряда и т.д.

Сравнение аккумуляторов

Свинцово-кислотные аккумуляторы

Одна из старейших аккумуляторных систем. Эта недорогая, надежная и переносящая перегрузки батарея; но она имеет низкую удельную энергию и ограниченный срок службы. Свинцовый кислотный аккумулятор используется в автомобильном транспорте, в инвалидных колясках, в системах аварийного освещения и в источниках бесперебойного питания (ИБП).

Никель-кадмиевые (NiCd) аккумуляторы

Также является одной из старейших и хорошо изученных аккумуляторных систем. Эти источники питания используется там, где необходим длительный срок службы, высокий ток разрядки, экстремальные температуры и низкая стоимость. Из-за того, что NiCd аккумуляторы наносят значительный вред окружающей среде, их заменяют другими типами систем. Основные области применения: электроинструмент, рации, авиационный транспорт, ИБП. В Европе запретили продавать потребительские товары с такими типами аккумуляторов, но в России их можно приобрести.

Никель-металлгидридные (NiMH) аккумуляторы

Фактически являются заменой никель-кадмиевых; имеет более высокую удельную энергию и меньшее количество токсичных металлов. NiMH аккумуляторы используется в медицинском оборудовании, в гибридных автомобилях, в ракетно-космической технике, в промышленности.

Литий-ионные (Li‑ion) аккумуляторы

Самый перспективный тип аккумуляторных систем; используется в портативных потребительских товарах, также как и в электромобилях. Li‑ion аккумуляторы чувствительны к превышению напряжения при заряде и, для обеспечения безопасности, в них добавляется защитный контур, но не всегда. Эти типы аккумуляторов дороже, чем описанные выше.

Семейство литий-ионных систем можно разделить на три основных типа батарей в зависимости от материала катода – это кобальт лития, литий-марганцевая шпинель и литий-феррофосфат. Характеристики этих литий-ионных систем приведены ниже.

Кобальт лития или литий оксид кобальта (LiCoO2)

Обладает высокой удельной энергией, переносит умеренные нагрузки и обладает небольшим сроком службы. Применяется в сотовых телефонах, ноутбуках, цифровых фотоаппаратах и других гаджетах.

Литий-марганцевая шпинель или литий-марганцевый (LiMn2O4)

Переносит высокий ток заряда и разряда, но имеет низкую удельную энергию и небольшой срок службы; используется в электроинструментах, медицинском оборудовании и в электрических силовых агрегатах.

Литий-феррофосфатный (LiFePO4)

Схож с литий-марганцевым; номинальное напряжение 3,3 В/элемент; более долговечный, но обладает более высокой скоростью саморазряда, чем другие литий-ионные системы.

Существует и множество других типов литий-ионных аккумуляторов, некоторые из которых будут описаны позднее на этом сайте. Здесь отсутствует популярный литий-полимерный тип аккумуляторов. В то время как литий-ионные системы получили свое название благодаря материалу катодов, литий-полимерные системы заслужили свое название благодаря архитектуре. Также здесь не упоминается литий-металлические (Li-metal) аккумуляторы. Этот тип источника тока еще требует доработки, но, скорее всего, в скором времени они будут обладать необыкновенно высокой удельной энергией и хорошей удельной мощностью.

Таблица 1 — Сравнительные характеристики четырех наиболее часто используемых типов аккумуляторных систем, с указанием усредненных параметров

1 Внутреннее сопротивление аккумуляторов зависит от величины миллиампер-часов (мАч), проводки и количества элементов. Контур защиты литий-ионных батарей добавляет около 100 mΩ

2 Типоразмер элемента 18650. Размер элемента и дизайн определяет внутреннее сопротивление.

3 Жизненный цикл у батарей, проходящих регулярное техническое обслуживание.

4 Жизненный цикл зависит от величины разряда. Меньшая величина разряда повышает срок службы.

5 Самая большая скорость саморазряда сразу после заряда. NiCd аккумулятор теряет 10% заряда в течение первых 24 часов, затем скорость потери заряда снижается до 10% за каждые 30 дней. Высокая температура увеличивает саморазряд.

6 Защитный контур, как правило, потребляет 3% от запасенной энергии в месяц.

7 Чаще используется традиционное напряжение 1,25; 1,2 В.

8 Низкое внутреннее сопротивление уменьшает падение напряжения под нагрузкой и литий-ионные аккумуляторы часто имеют маркировку с большим значением, чем 3,6В/элемент. Элементы с маркировкой 3,7В и 3,8В полностью совместимы с 3,6В.

9 Способен выдерживать большой импульс тока нагрузки, но нужно время для восстановления.

10 Не заряжайте регулярно литий-ионные аккумуляторы при температуре ниже нуля.

11 Техническое обслуживание, такое как балансировка или подзарядка, для предотвращения сульфатации.

12 Для большинства типов литий-ионных систем отсечка происходит, если напряжение меньше чем 2,20В и больше чем 4,30В, другие значения напряжения применяются для литий-феррофосфатных аккумуляторов.

Источник