Батареи

Когда-то аккумуляторы были тяжёлыми и неуклюжими предметами, выдававшими смехотворно мало энергии для своего размера и веса. К счастью, со временем технологии улучшаются, и в 2020 году у нас есть прекрасные мощные литий-полимерные аккумуляторы, выдающие столько энергии, сколько может понадобиться вашему мобильному проекту. Однако при их использовании нужно учесть некоторые моменты поэтому предлагаю вам прочесть руководство для начинающих о том, как правильно использовать LiPo в своём проекте.

Так много типов!

Первые коммерческие литий-ионные аккумуляторы вышли на рынок в 1991 году, и за прошедшие с тех пор почти 30 лет мы наблюдали быстрый их прогресс. В итоге у нас появилось множество различных технологий и типов аккумуляторов, делящихся по типу конструкции и используемых материалов. Чтобы правильно обращаться с аккумуляторами, важно знать, какой именно тип попал к вам в руки, и очень важно обратить на это внимание.


Литий-ионные элементы форм-фактора 18650 из ноутбука. Подобные наборы обычно соединяются точечной сваркой никелевых полосок.

Обычно литий-ионными, или Li-ion аккумуляторами называют всю технологию перезаряжаемых литиевых батареек целиком, однако часто так называют традиционные элементы с цилиндрическим металлическим корпусом. Один из вариантов многоуважаемые 18650, однако вообще их существует множество вариантов и размеров. Их крепкие корпуса сделали их популярными для использования в средствах передвижения, так как последние испытывают значительные физические нагрузки.

Литий-полимерными, или Li-Po называют литий-ионные батарейки, использующие полимерный электролит вместо жидкого. Благодаря этому их можно делать в виде ёмкостей различной формы. Такая гибкость делает их полезными для таких применений, как смартфоны и планшеты, где требуется аккумулятор большой ёмкости и плоской формы. Также их часто используют в радиоуправляемых моделях, поскольку их небольшой вес даёт существенное преимущество летающим аппаратам.


Литий-полимерные пакетные аккумуляторы для использования в радиоуправляемых моделях.

Lithium-HV, или литиевые аккумуляторы высокого напряжения это литий-полимерные батарейки, использующие специальную кремний-графеновую добавку на плюсовой клемме, благодаря которой она не повреждается высоким напряжением. Если заряжать большинство литиевых аккумуляторов до напряжения выше 4,2 В, они будут значительно потеряют в ёмкости, а их срок службы будет заметно уменьшаться. Используя эту добавку, можно заряжать элементы до 4,32 В без подобных негативных последствий. Повышение напряжения даёт примерно 10% прибавку к плотности энергии по сравнению с обычными литий-полимерными аккумуляторами.

Литий-железо-фосфатные аккумуляторы , или LiFePO₄, используют немного изменённую химию, благодаря чему они могут выносить больше циклов заряда/разряда за счёт немного меньшей энергетической ёмкости. Лучше всего они работают в диапазоне от 3,0 В до 3,65 В, а не в типичном для стандартной химии литий-ионов диапазоне 3,0-4,2. Благодаря этому и очень плоской кривой разряда делает их идеальными для замены 12 В свинцовых батарей во многих случаях, а вместо оригинальных шести элементов используются четыре. Обычно они более стабильными, меньше подвержены саморазряду и потере ёмкости со временем.

Уважайте границы

Ошибка может привести к неприятным результатам

По сравнению с большинством типов аккумуляторов, литиевые элементы плохо переносят неправильное обращение. Разряд ниже нижнего предела приводит к формированию медных дендритов, из-за чего у них уменьшается ёмкость и может произойти короткое замыкание. Перезаряд может привести к повреждению анода отложениями лития, из-заа чего могут образоваться литиевые дендриты, что часто приводит к короткому замыканию или самоподдерживающейся реакции с выделением тепла аккумулятор начинает дымиться и гореть. Также каждый элемент в группе нужно поддерживать на том же уровне напряжения, что и все его соседи, чтобы элементы не слишком быстро деградировали.

Важно не заряжать литиевые элементы слишком быстро. Также на эффективность работы аккумуляторов сильно влияет окружающая температура. Литиевые аккумуляторы не любят температур ниже нуля, особенно при полном заряде. Их нельзя заряжать при отрицательной температуре. Поскольку металлический литий может отложиться на минусовом электроде, что может повредить элемент или вызвать короткое замыкание. В принципе, их можно заряжать при температуре до -5C, однако это нужно делать очень медленно. Кроме того, аккумуляторы могут повредиться, если заряжать их при температурах выше 45C.

При выходе за указанные пределы в лучшем случае вы просто убьёте аккумулятор, в худшем случае он загорится и взорвётся. Кроме того, эти элементы подвержены раздуванию, выделению газа, да и вообще кажутся не очень удобными в работе. Может показаться, что иметь с ними дело чересчур сложно. К счастью, современная электроника научилась справляться с их проблемами. Правильное оборудование и меры предосторожности дают возможность использовать литиевые аккумуляторы безопасно и эффективно. Однако все, кто работает с ними, должны уяснить себе потенциальные опасности. Боб Бэддели в прошлом ноябре опубликовал отличную статью на эту тему.

Работа с аккумуляторами

В случае использования отдельных элементов или их групп, к примеру, при использовании LiPo аккумуляторов в радиоуправляемых моделях, достаточно просто использовать специальное зарядное устройство для литиевых аккумуляторов. При зарядке нужно подключать провода для проверки балансировки [позволяют измерять напряжение на каждом из элементов по отдельности / прим. перев.], особенно если батарея разрядилась полностью. Наибольшей эффективности в работе батарей можно добиться при использовании умных зарядных устройств (особенно в случаях с LiFePO₄ и элементами высокого напряжения). Убедитесь, что у вас есть способ остановить разрядку батарей в случае слишком сильного понижения напряжения будь то предупреждающий световой индикатор, звуковой сигнал или просто автоматическое отключение.


Подобные модули отлично подходят для интеграции литиевых аккумуляторов в прототип

Если вашему устройству требуется интегрированный аккумулятор, вам подойдут специальные платы защиты и заряда. Существуют готовые модули и интегральные схемы, позволяющие без проблем контролировать работу литий-ионных батарей. В принципе их множество от тех, которые просто разрывают контур при понижении напряжения, до комплексных решений по зарядке и защите. Такие компании, как Adafruit, продают модули, которые отлично подойдут для начинающих любителей электроники, желающих интегрировать удобное решение по заряду и контролю аккумуляторов без необходимости проектировать платы самостоятельно. Однако существуют открытые решения, которые будет легко интегрировать в собственную плату в будущем.


Система управления батареей (BMS) для аккумуляторов из 12 элементов, способного выдавать до 60 А.

Для более крупных проектов с самостоятельно собранными батареями хорошо подойдут системы управления батареей (BMS). BMS, по сути, не сильно отличается от микросхемы защиты, она просто разработана для более крупных задач. BMS обычно используется для аккумуляторов, состоящих из десятка или более элементов, и часто в таких проектах, как электровелосипеды и другие средства передвижения. BMS паяется непосредственно к аккумуляторам, и подсоединяется к каждому элементу в отдельности [к группе элементов, соединённых параллельно / прим. перев.]. Её задача балансировка элементов, ограничение тока разрядки для безопасности, управление процессом зарядки. Опытные сборщики батарей часто интегрируют BMS в корпус или кожух самого аккумулятора, оставляя снаружи только коннектор. Это позволяет пользователю просто добавить готовый аккумулятор в свой проект, не беспокоясь о защите.

Если вашему проекту необходима особая устойчивость к воздействию окружающей среды, вам также придётся отслеживать температуру аккумулятора. Отслеживать температуру ячеек, в особенности во время зарядки отличный способ защитить аккумулятор от повреждения. У лучших чипов и BMS есть функция отслеживания температуры. На таком уровне сборки вы уже будете делать батарею самостоятельно, внедряя термопары в нужные места во время сборки. Для аккумуляторов, выдающих большие токи, температуры нужно отслеживать в обязательном порядке. Практически во всех электровелосипедах и электромобилях есть оборудование для отслеживания температуры аккумуляторов и управляющих систем.

Итог

Литий-ионные батарейки могут быть опасными, но при правильном использовании они достаточно безопасны для большинства проектов. Главное использовать правильное оборудование, чтобы убедиться, что вы не выйдете за пределы диапазонов напряжения и температуры, иначе может случиться беда. Надеюсь, что данная инструкция поможет вам в поисках информации по включению литиевых аккумуляторов в свой проект.

^{Так выглядит литийсодержащая руда}
Литий один из критически важных элементов для всей нашей цивилизации. Конечно, когда мы говорим о литии, на ум сразу приходят Li-ion батареи. И действительно, львиная доля добываемого лития уходит на нужды производителей аккумуляторов. Тем не менее, он используется и в других сферах.

Например, в металлургии, как черной, так и цветной, металл применяется для раскисления и повышения пластичности и прочности сплавов. Также с его помощью производят стекла, которые частично пропускают ультрафиолет, он применяется в керамике. И это если не говорить о ядерной энергетике и атомной технике его используют для получения трития. Короче, литий в буквальном смысле нарасхват. Под катом поговорим об аккумуляторах, Tesla, способах добычи лития и его дефиците.

Но главное, конечно, батареи

Да, сейчас большая часть добываемого в мире лития уходит на производство литиевых аккумуляторов. По расчетам, на производство одной батареи для Tesla Model S требуется 63 кг этого металла с 99,5% чистоты.

Теперь давайте подумаем, что будет, если все, абсолютно все автомобили внезапно станут электрическими, с литиевыми батареями. По данным на 2016 год автомобилей в мире было 1,3 млрд. Сейчас, наверное, еще больше, но окей, воспользуемся этими данными четырехлетней давности.


Пусть не все новоявленные электрокары имеют настолько же вместительную батарею, как Tesla, уменьшим вес лития, необходимого для производства, на треть. Получается, что на одну такую батарею необходимо 44,1 кг чистейшего лития. Для наших 1,3 млрд автомобилей нужно 57,33 млрд кг лития. Неплохо, это 57,33 млн тонн лития, и только для нужд автомобильной промышленности.

К 2023 году массовое производство электромобилей стартует на предприятиях Mercedes, BMW, Toyota, Ford, Audi, Porsche, Volvo, Huyndai, Honda. По подсчетам экспертов, эти компании будут производить около 15 млн электрокаров ежегодно, на что потребуется около 100 000 тонн лития в год.


Но ведь не электромобилями едиными. У нас же в ходу миллиарды экземпляров разной техники с аккумуляторами смартфонов, ноутбуков, планшетов и т.п. Они маленькие, да, но и для них понадобится много лития. Правда, гораздо меньше, чем для батарей электромобилей на производство батарей для мобильных устройств уходит несколько процентов общемирового производства лития. В 2017 году Apple использовала всего 0,58% общемировых объемов добычи этого металла.

Но есть и другие батареи. Та же Tesla разрабатывает и реализует огромные аккумуляторные системы, которые служат для нивелирования скачков потребления энергии в пиковые часы. В крупном аккумуляторе содержится не менее тонны лития. Пока что производство таких систем не слишком масштабное, но через время все может измениться.


В целом, общемировое потребление лития к 2025 году составит не менее 200 000 тонн этого металла.

А как его добывают и хранят?

Литий очень активный химически металл, поэтому его добыча ведется несколько отличными от добычи большинства прочих, обычных металлов способами. Есть два способа выделить Li.


Первый из пегматитовых минералов, которые состоят из кварца, полевого шпата, слюды и других кристаллов. Ранее это был основной источник лития в мире. В Австралии, например, его добывают из сподумена, руды лития, минерала, который относится к пироксенам.

Второй из глин солончаков. Такие есть в Южной Америке и той же Неваде, о которой говорилось выше. Насыщенные литием рассолы можно обогащать при помощи испарителя на солнечной энергии. Затем, после достижения нужной концентрации гидроксида лития, его осаждают, добавляя карбонат натрия и гидроксид кальция. Этот процесс не очень дорогой, но занимает продолжительное время от 18 до 24 месяцев. Именно такой способ планирует использовать Маск.


У второго способа есть проблемы: при получении лития таким способом литий получает примеси железо или магний (от магния сложнее всего избавиться). Тем не менее, на солончаковых землях много лития, и это делает второй способ очень привлекательным от примесей все же можно избавиться.

К слову, солончаки как раз не входят в списки разведанных месторождений, поскольку добыча лития выпариванием солевых растворов новый метод, который ранее не применялся. Так что вполне может быть, что запасов лития на Земле гораздо больше, чем считается.


Очень много лития в солончаковой пустыне Салар-де-Уюни на юго-западе Боливии. Под твердой коркой находится жидкий рассол с концентрацией лития в 0,3%.


Есть и другие способы, но все они чисто лабораторные. Например, пару лет назад на Хабре публиковалась новость о том, что литий можно добывать из рассолов при помощи металл-органических каркасных мембран.


Они копируют механизм фильтрации ионную селективность мембран биологических клеток в живых организмах. Кроме лития, этот способ дает и пресную воду, тоже ценный продукт. Но, к сожалению, ни стоимость, ни возможность масштабирования этого способа не освещены учеными. Да и спустя два года о коммерциализации метода так ничего и не слышно.

Еще литий можно добывать из литиевых батарей. То есть перерабатывать батареи, получая снова металлический литий и другие необходимые для создания аккумуляторов материалы. Но пока что переработка батарей ведется в малых объемах. Это достаточно сложный и дорогой процесс, так что в ближайшее время вряд ли мы услышим о строительстве крупных заводов по переработке батарей. Да, ученые работают над этим, но все это пока что лишь исследования.

Сколько всего лития на Земле?

Да не так уж и много. Вернее, того, что разведали, относительно немного. В 2019 году глобальные подтвержденные запасы этого металла оценивались в 17 млн тонн. В России около 900 000 тонн. Если взять потенциально плодородные месторождения, то получится около 62 млн тонн. Возможно, геологи разведают новые месторождения, но в любом случае лития на Земле мало.

Два года назад добыто было около 36 000 тонн. При этом 40% металла идет на аккумуляторы, 26% на производство керамических изделий и стекла, 13% выпуск смазочных материалов, 7% металлургию, 4% системы кондиционирования, 3% медицина и полимеры.


Основные поставки лития ведутся из Австралии (18,3 тыс. тонн в год), затем Чили (14,1 тыс. тонн в год) и Аргентина (5,5 тыс. тонн в год). В ближайшее время поставщики лития планируют увеличить объемы его добычи и поставки на мировой рынок.

Кстати, компания Tesla, один из крупнейших потребителей лития, получила право на самостоятельную добычу металла в штате Невада, США. Илон Маск заявил, что его компания получила доступ примерно к 10 тыс. акров богатых литием залежей глины в Неваде.

Литий для всех, и пусть никто не уйдет обиженным?

Речь о недалеком будущем, когда понадобится производить гораздо больше литиевых батарей, чем сейчас. Насколько ученые могут судить, на ближайшие несколько лет этого металла хватит всем.

С течением времени компании найдут способ снизить количество лития в батареях уже сейчас ведутся исследования на эту тему. Скорее всего, добыча лития из рассолов тоже станет наращивать обороты, так что общие объемы металла возрастут, и весьма значительно.

Но что будет через 10-20-30 лет? Сложно сказать. Возможно, выстрелит новая технология производства аккумуляторов, предложенная учеными или корпорациями. А может быть, специалисты смогут изменить конструкцию текущих аккумуляторов, значительно сократив количество лития, необходимое для производства одной батареи.

В целом, пока что пути решения проблемы дефицита лития есть, и их немало. Давайте вспомним об этом вопросе лет через 5 и обсудим изменения здесь же, на Хабре. Хотелось бы надеяться, к тому времени не начнутся литиевые войны, ведь этот металл уже называют новой нефтью.

Аккумуляторные ячейки заряжаются при помощи расположенных на крыше солнечных панелей, и формируют сеть, обеспечивающую всё здание резервным энергопитанием, к которому можно подключаться в часы пиковой нагрузки

Аккумулятор ecoLinx в апаратаментах Soleil Lofts в пригороде Солт-Лейк-Сити. Разрабатываемые аккумуляторные ячейки совместно формируют т.н. виртуальную электростанцию

Строительная фирма Soleil Lofts, возводящая апартаменты в пригороде Солт-Лейк-Сити, заманивает в них потенциальных покупателей разными удобствами: бассейны, три спа-салона, баскетбольную площадку, бытовую технику, место для выгула собак.

Однако более всего Майка Канненберга, менеджера по продажам из местной технологической компании, привлекло другое тихая аккумуляторная батарея в красивом корпусе.

В апартаментах Канненберга, как и во всех остальных 600 жилых помещениях этого комплекса стоимостью в $156 млн, установлена новая аккумуляторная батарея ecoLinx производства немецкой компании Sonnen. Эти аккумуляторы размером примерно с водонагреватель заряжаются от солнечных батарей, установленных на крыше, и совместно формируют т.н. виртуальную электростанцию. Эта система не только обеспечивает 12,6 МВт*ч резервной энергии всему зданию, но и облегчает использование возобновляемой энергии, получаемой прямо на месте.

Как сказал 38-летний Канненберг, если я могу внести свой небольшой вклад в улучшение мира и очищение Юты, я сделаю это с удовольствием.

Развитие технологий производства аккумуляторов и солнечных панелей вместе со стремлением компаний расширять использование возобновляемой энергии привело к тому, что виртуальные электростанции становятся ценным дополнением для коммерческих и жилых помещений. Также этому способствует повышение спроса на более надёжные системы энергообеспечения, возникшее благодаря недавнему отказу энергосети в Техасе и постоянным отключениям электроэнергии в Калифорнии, при помощи которых пытаются уменьшить ущерб от периодических пожаров.

Аккумуляторы пригодятся в зданиях всякого рода, включая университетские и корпоративные кампусы, сказал К.Р. Герро, вице-президент по инновациям национальной строительной компании Meritage Homes.

В 80-х люди ставили себе солнечные панели, потому что хотели сделать что-то хорошее, сказал он. Сегодня установка таких систем из солнечных панелей и аккумуляторных батарей, как у Soleil, равнозначна размещению у себя на кухне банкомата, выдающего по $20 в месяц.

Всё больше водителей пересаживаются на электромобили, а владельцы недвижимости всё чаще понимают ценность генерации и хранения энергии на месте особенно в таком месте, где может потребоваться заряжать десятки электромобилей одновременно.

Многие компании, особенно из энергетического сектора, видят потенциал виртуальных электростанций. Калифорнийский стартап OhmConnect планирует построить крупномасштабную систему подобного рода, получив $100 млн от Sidewalk Infrastructure Partners (среди которых есть и Alphabet, родительская компания для Google). Лос-анджелесская Swell Energy получила $450 млн на создание домашней виртуальной электростанции, помогающей работе энергосети.

В Юте Soleil Lofts подписала первое подобное соглашение с энергокомпанией Rocky Mountain Power, по которому та может подключаться к этой сети аккумуляторов как к источнику питания. Соглашение позволяет системе сэкономить на стоимости генерации энергии, а девелоперам на стоимости её внедрения. Так утверждает управляющая компания апартаментов Wasatch Group.

Директора Wasatch считают виртуальные электростанции доказательством того, что аккумуляторы это умное вложение денег для владельцев недвижимости.

Виртуальная электростанция обеспечивает постоянный доход и повышает привлекательность апартаментов для арендаторов, сказал Райан Питерсон, президент Wasatch Guaranty Capital, занимающейся недвижимостью и инвестициями. Одна из причин, по которым мы обращаемся к возобновляемой и солнечной энергии она уменьшает операционные расходы и улучшает денежный поток, что очень важно для владельцев недвижимости.

Проект Soleil находится на сосредоточении нескольких тенденций: перехода к более чистой и возобновляемой энергии, быстро падающей стоимости аккумуляторов и хранения энергии, и старания девелоперов уменьшить влияние на окружающую среду. Согласно Boston Consulting Group, стоимость хранения энергии за последние 10 лет упала на 80%.

За прошлый год хранилища энергии в США значительно выросли. По данным U.S. Energy Storage Monitor, в третьем квартале добавилось 476 МВт*ч, что на 240% больше по сравнению с предыдущим.

Однако ситуация ещё далека от энергосистемы, полностью работающей на возобновляемой энергии. В отчёте Калифорнийского университета в Беркли, изучающем переход на возобновляемую энергию, предполагается, что к 2035 году США потребуется хранилище в 150 ГВт*ч, чтобы содержание чистой энергии в энергосети достигло 90%.

Мы достигли поворотного момента, сказал Марк Дайсон, эксперт по чистой энергии из RMI, организации из Колорадо, занимающейся возобновляемыми источниками энергии. Поскольку цены так сильно упали, особенно на аккумуляторы, ожидаю, что всё больший процент новых домов будет использовать эти технологии. Виртуальные электростанции это самая дешёвое и ценное обновление из тех, что нужно сделать для энергосистемы США.

Потребление электричества зданиями в течение дня постоянно колеблется. Источники возобновляемой энергии и аккумуляторные батареи могут сгладить эти циклы, сохраняя энергию при минимальных нагрузках, и подключаясь к хранилищу в периоды больших нагрузок. Это должно снизить стоимость электроэнергии.

В зданиях, где эффективно используется энергия, производится возобновляемая энергия и хранится энергия, готовая к использованию в нужный момент, заключена большая ценность, сказал Герро.


Солнечная энергия, накапливаемая в апартаментах Soleil Lofts, хранится в аккумуляторах, к которым может подключаться местный поставщик энергии, Rocky Mountain Power.

У Meritage есть семь демонстрационных проектов по стране, в частности, в Аризоне, Калифорнии, Северной Каролине и Техасе. Компания пытается понять, как лучше оптимизировать энергосеть и уменьшить стоимость энергии. Герро считает, что в скором времени больше управляющих компаний воспользуются этой системой сдвига нагрузки,

Для компании Wasatch апартаменты Soleil Lofts обеспечивают как финансовые, так и маркетинговые преимущества. Потенциальных арендаторов привлечёт зелёная энергетика комплекса, а в перспективе стоимость энергии в нём будет ниже. По словам Питерсона, аккумуляторные батареи выигрывают по стоимости энергии у обычных зданий.

Wasatch начала исследовать возобновляемую энергию уже много лет назад, пытаясь снизить цены во всех своих жилых комплексах, насчитывающих порядка 20 000 апартаментов, а также в офисах, отелях и промышленных производствах. Экономии от одних только солнечных панелей не получалось, поэтому четыре года назад компания начала изучать работу комбинации из панелей и аккумуляторов. Wasatch сделала Soleil испытательным проектом, и наладила сотрудничество с Rocky Mountain Power и Sonnen, начав решать проблемы, связанные с устройством виртуальных электростанций.

Прошлой осенью апартаменты частично заработали, и с тех пор, по словам Питерсона, проект хранения энергии оправдал все ожидания. Система аккумуляторных батарей, обошедшаяся в $34 млн, из которых $3,3 покрыли гранты от Rocky Mountain Power, продают энергию обратно энергокомпании, чтобы покрыть периоды пиковой нагрузки. Питерсон говорит, что жители за счёт этого экономят 30-40% на стоимости электричества.

Подобные проекты становятся источниками энергии реального времени, говорит Уильям Комю, вице-президент по пользовательскому восприятию и инновациям в PacifiCorp, родительской компании для Rocky Mountain Power. Чтобы достичь к 2030 показателя в 60% возобновляемой энергии, Rocky Mountain Power нужно активно инвестировать в системы хранения, а также небольшие распределительные центры вроде Soleil. Он сказал, что падение цен на аккумуляторы будет открывать больше возможностей для расширения.

Другие девелоперы тоже организовывают хранилища энергии на аккумуляторных батареях совместно с энергокомпаниями. Related Companies установила в Гейтвей-центре в Бруклине аккумуляторы на 4,8 МВт*ч на площадях, которые всё равно никто бы не использовал. Теперь это хранилище энергии, управляемое энергетической компанией Enel X.

Компании отказались раскрывать детали лизинга, но вице-президент Related, Люк Фолк, сказал, что подобная аккумуляторная система хранения может помочь его компании и другим подобным ей зарабатывать деньги и достигать целей зелёной энергетики.


Бассейн с подогревом от солнечной энергии в апартаментах Soleil Lofts.


Среди других удобств зарядки для электромобилей.

Новаторский подход Soleil показал, что подобные проекты могут работать, но воспроизводить их не так-то легко. Комю сказал, что с этим связаны технические проблемы, и для достижения успеха часто необходимо, чтобы у владельцев уже был подобный опыт. Он предсказывает, что по мере того, как другие энергетические компании будут повышать процент возобновляемой энергии, таких партнёрств будет становиться всё больше.

А новым клиентам уже не нужно будет проходить все этапы, которые Wasatch прошла с нуля, сказал Комю.

Wasatch планирует расширять модель Soleil. Готовится уже шесть пилотных программ, которые будут реализованы в уже существующих объектах недвижимости в Калифорнии. Их цель узнать, смогут ли другие здания достичь той же эффективности и снижения стоимости. Питерсон хочет, чтобы в итоге появилось некое решение под ключ, которое позволит оснащать недвижимость других владельцев виртуальных электростанций.

Мы считаем, что это возможно, и как только мы сможем это доказать, этой модели откроются куда как более широкие перспективы, сказал он.

К концу января 2021 года количество электроавтомобилей в России превысило отметку в 10 тысяч единиц, представленных 18 моделями 14 различных марок. При этом еще в январе 2020 года их количество не превышало 6 тысяч. Несмотря на значительный прирост, Россия еще не входит в топ-25 стран-лидеров по объему продаж электромобилей. Что обусловлено в первую очередь отсутствием на территории России официального представительства крупнейших производителей электрокаров и мировых брендов электромобилей. Также в России слабая мотивационная база, предоставляемая покупателям электромобилей. Поэтому автовладельцы все еще склоняются в пользу приобретения автомобиля с ДВС.

В правительстве уже принимаются меры для того, чтобы автовладельцы пересели на электрички. Пакет мер для Федерального закона об экологичном транспорте разрабатывается уже несколько лет, при этом, по разным оценкам экспертов, будет принят не ранее 2023 года. Тогда как во многих странах Европейского Союза (ЕС) уже несколько лет существует ряд льгот и преференций для владельцев электрокаров. Но водителей отпугивает не только цена на электромобили, но и страх перед разряженной батареей за сотни, а иногда и тысячи километров от крупного города, в котором еще должна быть заветная зарядная станция, тем более в зимнее время при температурах в ряде регионов 3040 градусов ниже нуля.

А в течение следующих нескольких лет аккумуляторы, которые будут использоваться в электромобилях, станут настолько дешевыми, что электромобиль будет стоить не больше, чем автомобиль аналогичного размера с двигателем внутреннего сгорания. Но эти электромобили по-прежнему будут весить больше, чем их аналоги с бензиновым двигателем, при этом аккумуляторные батареи в электромобилях составляет 20-25 процентов от общей массы транспортного средства.

Но выход есть: превратить конструктивные элементы автомобиля в сами аккумуляторы.


Батарея из углеродного волокна в виде крышки багажника

Задача

Главный технический директор Volvo Хенрик Грин говорит: Как наиболее эффективно интегрировать аккумуляторную батарею в автомобиль? Ну, если вы делаете это традиционным способом, вы помещаете батарею в модуль; затем вы помещаете несколько модулей в коробку. Потом вы помещаете коробку в автомобиль, и тогда у вас есть стандартизированное решение, которое можно масштабировать в течение 10 лет.

Но по сути, это довольно неэффективное решение с точки зрения веса, пространства и т.д. Итак, здесь действительно можно пойти глубже, и как бы напрямую интегрировать клетки в тело и избавиться от этих модулей, коробок и прочего. Это задача, над которой мы работаем в будущих поколениях автомобилей, и она кардинально изменит их сборку.

Tesla также работает над разработкой новых аккумуляторных модулей, которые являются структурными элементами, но создает эти структурные модули из традиционных цилиндрических ячеек. Однако есть более элегантный подход к этой идее, и группа из технологического университета Чалмерса в Швеции во главе с профессором Лифом Аспом сделала прорыв в этом отношении.


Демонстрация тестовых батарей из углеродного волокна

Что это и с чем едят?

Наиболее широко углеродное волокно используется в качестве легкого и высокопрочного конструкционного материала в довольно дорогих экзотических автомобилях и самолетах, но постепенно он становится совершенно обычным явлением. Сегодня углеродное волокно используется в велосипедах и клюшках для гольфа, и даже можно приобрести себе бумажник из углеродного волокна.

Выдающиеся свойства углеродного волокна заключаются в том, что в качестве готового материала его можно сделать намного прочнее и легче, чем металлические детали аналогичного размера. Например, углеродное волокно имеет предел прочности на разрыв (то есть сопротивляется растяжению) примерно в четыре раза больше, чем сталь, и в восемь раз больше, чем алюминий. Кроме того, он намного жестче (сопротивляется изгибу), чем сталь или алюминий. При этом такое увеличение прочности сопровождается резким снижением веса: обычно деталь из углеродного волокна весит лишь треть от веса стальной детали того же объема.


Как композитный материал, углеродное волокно получает свою жесткость и легкость благодаря двум вещам: во-первых, это пряди углеродной нити, которая тоньше человеческого волоса, и эпоксидная смола, которая связывает углерод в форму. Второе, что придает композиту прочность, это химические соединения для объединения двух материалов и последующего их смешивания. Процессы производства углеродного волокна различаются в зависимости от формы деталей, но все методы производства имеют нить и клей.

Конструкция батареи представляет из себя анод из углеродного волокна и катод из алюминиевой фольги, покрытый фосфатом лития и железа, которые разделены стекловолоконным сепаратором в матричном материале структурного электролита батареи. Анод выполняет тройную функцию, удерживая ионы лития, проводя электроны и усиливая все одновременно. Электролит и катод аналогичным образом поддерживают структурные нагрузки и выполняют свою работу по перемещению ионов.

Тесты

Исследователи протестировали различные типы стекловолокна, в результате чего были получены элементы с номинальным напряжением 2,8 В, и достигли лучших результатов с точки зрения производительности батареи с более тонким полотняным переплетением. Элементы, использующие эту конструкцию, имели удельную емкость 8,55 Ач/кг, плотность энергии 23,6 Втч/кг (при 0,05C), удельную мощность 9,56 Вт/кг (при 3C) и толщину 0,27 мм. Для сравнения, это 4680 ячеек, которые Тесла помещает в свои машины, чтобы иметь плотность энергии 380 Втч/кг. Однако этот показатель плотности энергии для цилиндрических ячеек не включает массу структурной матрицы, которая их окружает (при использовании в качестве структурных панелей).




Батарея из углеродного волокна от Tesla

Что касается структурных нагрузок, то наибольшая жесткость была также достигнута при использовании простого стекловолоконного переплетения 25,5 ГПа. Это примерно похоже на пластик, армированный стекловолокном, тогда как пластик, армированный углеродным волокном, даст результат в 10 раз больше, в зависимости от того, сделан трансферным формованием или является ткаными листами, предварительно пропитанные смолой (известные как pre-preg).

Группа профессора Аспа сейчас работает над тем, чтобы повысить жесткость и электрические характеристики заменой алюминиевой фольги катода на углеродное волокно. Группа также тестирует еще более тонкие сепараторы. Они надеются достичь 75 Втч/кг и 75 ГПа, что приведет к получению элемента, который будет намного жестче, чем алюминий (68 ГПа) и намного легче.

Перспективы

Создание электромобилей или даже самолетов из структурных композитных батарей пока еще долгосрочный проект, и даже в лучшем случае структурные аккумуляторные элементы могут не скоро приблизиться к характеристикам специализированных элементов, используемых на данный момент. Но поскольку они заменят более тяжелые металлические конструкции, получившийся автомобиль должен стать намного легче, дешевле и экологичнее

Между тем, Асп считает, что преимущества использования такой технологии можно будет увидеть раньше: Структурная батарея следующего поколения обладает фантастическим потенциалом. Через несколько лет вполне возможно будет производить смартфоны, ноутбуки или электрические велосипеды, которые будут весить вдвое меньше, чем сегодня, и будут в разы компактнее.

---

На правах рекламы

Наши эпичные серверы это как Tesla в автомобилестроении. Используем новейшие процессоры от AMD, исключительно быстрые NVMe накопители от Intel и никогда не экономим на железе только брендовое оборудование и самые современные решения на рынке!