Литиевые батареи
Внимательно прочтите эти правила перед использованием батарей! |
Литий – наиболее легкий металл, он вдвое легче воды и всплывает даже в керосине. Одновременно с этим, литий обладает огромным электрохимическим потенциалом, что делает его одним из самых активных металлов. Это свойство лития дает возможность создавать на его основе батареи и аккумуляторы с очень высокой плотностью энергии при минимальных размерах и массе.
Преимущества, которыми обладают литиевые аккумуляторы
Еще одно преимущество литиевых аккумуляторов – очень низкий ток саморазряда. Это означает, что батарея может пролежать “на полке” или в выключенном приборе на годы дольше щелочных батареек. Для литиевых аккумуляторов это означает, что в малопотребляющих приборах не придется периодически подзаряжать аккумулятор (что придется сделать с никель-металлгидридными (NiMh), никель-кадмиевыми (NiCd) или свинцовокислотными (Lead Acid) аккумуляторами), или придется это делать намного реже.
Литиевые аккумуляторы также обладают еще одним важным преимуществом – они практически не теряют емкость при отрицательных температурах: большинство выпускаемых батарей спокойно работают от -40° а некоторые типы – от -60°. В условиях русской зимы и особенно Крайнего севера – литиевые батареи незаменимы.
Все эти параметры становятся особенно важными при использовании в устройствах выживания – к примеру, в фонарях, аварийных маячках или рациях.
При этом, они легче других батарей, работают дольше, и не теряют емкость при отрицательных температурах.
Литиевые батареи и аккумуляторы производятся с разнообразными химическими формулами, что дает разное рабочее напряжение и энергоемкость.
Наиболее распространены:
- Li-MnO2 (батареи с префиксом “CR”).
Номинальное напряжение: 3В.
Наиболее распространенный вид литиевых батарей. К батареям такого типа относятся, например, батареи CR123 или CR2. Батарея такой системы обладает большой емкостью, может отдавать большой ток, обладает широким температурным диапазоном (от -40 до +60).
К батареям этого типа относится также совместимая батарея типа “Корунд” (тип ISO “1604”) напряжением 9В, которая физически состоит из трех элементов (обычные щелочные – из 6) - Li-FeS2 (литий-железодисульфидные батареи)
Номинальное напряжение: 1.5В.Современные литиевые батареи, призванные заменить традиционные щелочные и солевые батарейки.
Напряжение 1.5В позволяет напрямую вставлять их в приборы, предназначенные для работы с обычными батарейками.При этом за счет литиевой химии, они обладают преимуществами по сравнению с щелочными батареями и Ni-Mh аккумуляторами:
- Работают до 3-4 раз дольше. Литиевые батареи АА обладают эффективной емкостью 2900 мАч.
- Имеют массу на 35% меньше.
- Могут отдавать большой ток, что делает их применение возможным в “прожорливых” устройствах.
- Рабочий температурный диапазон – от -40° до +60°
- Низкий саморазряд: срок хранения – более десяти лет.
К недостаткам можно отнести сравнительно высокую цену, но наращивание объемов производства таких батарей с каждым годом сокращает разрыв цены с щелочными батареями, и для работы в устройствах с большим энергопотреблением покупать такие батареи выгоднее, чем щелочные. - Работают до 3-4 раз дольше. Литиевые батареи АА обладают эффективной емкостью 2900 мАч.
- Li-Ion (литий-ионные батареи (аккумуляторы))
Номинальное напряжение: 3.6-3.7В.
В этих элементах металлический литий заменен на ионы лития, что сделало батарею более безопасной. Эти батареи являются перезаряжаемыми (аккумуляторами).В отличие от аккумуляторов других систем, они не подвержены “эффекту памяти”, и обладают превосходными энергетическими характеристиками.
Однако, литий-ионные аккумуляторы теряют емкость по мере старения, вне зависимости от заряда и количества циклов заряда-разряда. В среднем, это старение составляет около 20-30% в год, и усиливается при высоких температурах.
Саморазряд этих батарей – около 5% в месяц, по сравнению с 30% Ni-Mh аккумуляторов (новейшие типы Ni-Mh аккумуляторов имеют более низкие, чем 30%, токи саморазряда), и 10% Ni-Cd.
Сильная электрохимическая активность лития, наряду с огромным энергетическим потенциалом, создает дополнительные инженерные проблемы производителям батарей. Например, литий вступает в сильную реакцию с водой, с образованием щелочи и водорода.
Как известно, водород в смеси с кислородом воздуха, при определенной пропорции смеси, становится взрывоопасным.
Впрочем, эта проблема присуща также и свинцовокислотным аккумуляторам.
По этой причине все литиевые элементы упаковываются в герметичную оболочку.
В высокоэнергетических литиевых батареях и литий-ионных аккумуляторах при коротком замыкании или неправильной эксплуатации повышается температура и давление. Поэтому в конструкцию элементов добавляют предохранительные клапаны и контакты (“PTC” – Positive Temperature Coefficient), размыкающиеся при повышении температуры. Эти меры позволяют предотвратить взрыв батарей, при неправильном с ними обращении.
Литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы очень чувствительны к процессу заряда и разряда,
поэтому в 99% случаев вместе с собственно элементом питания в батарее присутствует также и плата электроники, которая следит за “здоровьем” батареи, контролирует процесс заряда, разряда, а также предотвращает взрыв при коротком замыкании или превышении тока заряда.
Именно поэтому большинство литий-ионных аккумуляторов имеет не два, а три или четыре контакта – через дополнительные контакты микроконтроллер платы защиты общается с основным устройством.
Использование незащищенных литий-ионных аккумуляторов не рекомендуется по следующим причинам:
- Короткое замыкание, неправильная полярность, превышение напряжения или тока заряда могут вызвать взрыв.
- Слишком сильный разряд аккумулятора “убьет” его, сделав невозможным его дальнейшее использование. Не все устройства содержат защиту от глубокого разряда вставленных в них аккумуляторов. Обычно критическое напряжение глубокого разряда составляет 2.4-2.7В, в зависимости от химической формулы.
Меры предосторожности при работе с литиевыми аккумуляторами.
Проведенные исследования режимов эксплуатации на пожаро- и взрывобезопасность, а также миллиарды использованных литиевых батарей (в том числе батареи Вашего мобильного телефона, плеера, компьютера и т.
п.), установили, что современные конструкции литиевых элементов практически безопасны при их правильной эксплуатации, и более того – вполне рассчитаны на “дурака”.
Но, следуя принципу “предупрежден – значит вооружен”, мы публикуем основные моменты работы с литиевыми батареями. В общем-то все, написанное ниже, применимо и обязательно для выполнения при использовании и обычных щелочных батареек. (и всегда пишется на упаковке)
Используя в бытовой технике батареи и аккумуляторы литиевой системы, вы должны осознавать, что их повышенные по сравнению с щелочными батареями и Ni-Mh аккумуляторами потребительские свойства – энергоемкость, масса – взяты не “с потолка”, а являются следствием использования более активного материала.
Как показывает практика, потребители редко читают инструкцию по эксплуатации батарей и аккумуляторов, и еще реже её соблюдают, надеясь на русский “авось”.
И хотя правила эксплуатации литиевых батарей ничем не отличаются от правил эксплуатации
щелочных батарей и других аккумуляторов, их соблюдение особенно важно, т.
к. несоблюдение может привести к более серьезным последствиям.
Итак:
Не перезаряжать, не нагревать.
В литиевой батарее есть т.н. пассивирующий слой на литиевом аноде. Эта защитная пленка соединений лития, в обычных условиях, препятствует прямым химическим реакциям металлического лития с электролитом и основными продуктами реакции. Зарядка литиевых батарей (не аккумуляторов, а именно неперезаряжаемых батарей, к примеру CR123) разрушает эту пленку и категорически запрещена. Это приводит к высвобождению и накоплению в батарее металлического лития, его реакции с электролитом, росту температуры и давления, и, как следствие, утечке токсичного газа (через предохранительный клапан), электролита, и может привести к воспламенению или взрыву батареи.
То же самое относится к превышению тока заряда и напряжения заряда литиевых аккумуляторов. Используйте только качественные зарядные устройства, не стоит подключать “вот эту батарейку” к “вон тому заряднику” от “вон того прибора”. Это опасно.
Некоторые компании даже выпускают спец. оболочки-пакеты для зарядки литиевых элементов на предельных режимах:
Не смешивать бывшие в употреблении и новые батареи; батареи разных типов или производителей.
Установка элементов с разным напряжением (например, новый и бывший в употреблении) приведет к тому, что один элемент (новый) будет стремиться отдавать больший ток, и станет заряжать другой (старый).
Согласно исследованиям, смешивание Б/У и новых батарей или батарей разных производителей, явилось причиной №1 случаев возгорания и взрыва литиевых батарей в фонарях и других приборах. Наихудшее с точки зрения безопасности соотношение – это использование новой батареи и на 20% использованной. И хотя таких случаев зарегистрировано менее десяти на сотни тысяч случаев беспроблемного использования, делать этого не стоит.Не разбирать, не сжигать, не использовать батареи со следами повреждений или протечек.
Прокол элементов или смятие может привести к внутреннему короткому замыканию, с последующим возгоранием и взрывом; Расплавление лития от высокой температуры также приводит к взрыву.
При разгерметизации внутрь элемента может попасть вода или сконденсироваться атмосферная влага, что может привести к реакции с выделением водорода и возгоранию. Не закорачивать. Соблюдать полярность.
При разряде большими токами или коротком замыкании из-за некоторой неоднородности структуры батареи и наличия примесей могут возникать локальные “горячие точки”, которые лавинообразно вызывают разогрев всей батареи.
Результат – взрыв.Не утилизировать с бытовыми отходами.
Хотя это общепринятая практика в нашей стране, но, вопреки ей, элементы питания нельзя выкидывать вместе с бытовым мусором.К примеру, остатки соленой воды в кухонных отходах могут закоротить элемент.
И хотя у нас не создано никаких условий для правильной утилизации таких отходов – позаботьтесь хотя бы о том, чтобы литиевый элемент не контактировал с другими отходами.
Например, поместив его в индивидуальный полиэтиленовый пакет, и завязав его.Хранить в сухом, прохладном месте.
Влага, кроме прямого закорачивания контактов, может вызвать коррозию внешней оболочки батареи, заткнуть вентиляционные клапаны или нарушить герметичность. Батарею с признаками коррозии использовать нельзя. Высокая температура, близость к батареям отопления, духовым шкафам, печным трубам или прямые солнечные лучи могут вызвать повышение давления внутри батареи.
Нельзя оставлять батарею под прямыми солнечными лучами.
Современные литиевые батареи содержат множество элементов конструкции, которые призваны повысить степень защиты – сбросить нарастающее давление, разъединить электрическую цепь при превышении тока или температуры, а также разнообразную защитную электронику, но их лучше рассматривать как средства “последнего эшелона”, и надеяться не на них, а на разумное соблюдение правил безопасности.
Соблюдение этих правил почти наверняка избавит вас от неприятных моментов использования литиевых батарей. И хотя случаи возгорания или взрыва батарей в фонарях очень редки (в Интернет-сообществе описано менее 10 случаев за все время на весь мир), мы считаем важным упомянуть основные сценарии развития событий.
- В большинстве редких случаев возгорания литиевых батарей в фонарях, фонарь “тухнет” или теряет яркость на сравнительно свежем комплекте батарей. В любом случае, это должно вас насторожить.
Часто после этого, иногда через значительное время (20-30 мин.) слышится шипение клапана сброса давления батареи. Если вы слышите шипение этого клапана или фонарь неожиданно потускнел или нагрелся – ни в коем случае не направляйте фонарь стеклом или торцом к себе.
Настороженность также должно вызвать ненормальное для данного режима работы фонаря нагревание батарейного отсека, особенно в выключенном состоянии (выше 60-70 градусов).
При возникновении описанных симптомов – если фонарь у вас в руках – немедленно выключите его и положите подальше от людей, домашних животных и легковоспламеняемых предметов.
Если фонарь не в руках – не подходите к нему как минимум 3-4 часа.Шипение клапана сброса давления часто сопровождается выделением едкого белого дыма с характерным “электрическим” запахом. Этот дым токсичен – старайтесь не вдыхать его и проветрить помещение.
Если из батареи вылился электролит – не допускайте его контактов с кожей.
Пролитый электролит следует засыпать пищевой содой или опилками, и вытереть насухо.
Взрыв батареи иногда происходит через 1-2 секунды, а иногда через 20-30 минут после шипения клапана.
При возгорании и взрыве литиевых батарей запрещается тушить их углекислотными огнетушителями: литий бурно реагирует с углекислотой.
Эффективно применение порошковых огнетушителей (напр. ОП-10).Тушение горящих элементов и их обломков можно производить, накрывая очаги горения плотной термостойкой тканью (асбестовым полотном).
Можно тушить сухим песком, покрывалом, сухой поваренной солью.
Вода неэффективна при тушении горящего лития, и предотвращает главным образом распространение пожара. Наоборот, реакция лития с водой может вызвать выделение водорода, который усилит горение.Не берите в руки фонарь, обломки или батареи ранее, чем через несколько часов после прекращения любых проявлений реакции. Не приближайтесь к взорвавшимся или вытекшим батареям, пока они не остынут.
Защищайте кожу от контактов с электролитом резиновыми перчатками.
Засыпьте батареи, а также обломки, пищевой содой, для нейтрализации электролита. Поместите в полиэтиленовый пакет и утилизируйте.
Помните телефон пожарной охраны: В России это 101, или 112, или 911 (с мобильного телефона).
- Чаще взрываются фонари на двух CR123-элементах (в большинстве случаев ксеноновые, а не светодиодные), чем на одном. Поэтому при использовании фонаря, работающего на двух элементах, старайтесь или использовать защищенный аккумулятор 18650 или 17670, если он допустим конструкцией фонаря, или особенно тщательно подходите к вопросу выбора пары батарей. Старайтесь ставить вместе батареи из одной партии.
Если у вас есть возможность измерить внутреннее сопротивление батарей – старайтесь совмещать батареи по внутреннему сопротивлению.Естественно, ни в коем случае не ставьте разные батареи или использованные совместно с новыми.
- Чаще взрываются фонари на галогеновых (ксеноновых галогенных) лампах без электроники, чем светодиодные с электроникой.
Причина – описанные выше в п.4 “горячие точки”, которые возникают при неконтролируемом
разряде большим током.
- Старайтесь использовать качественный фонарь, нежели безымянный.
Плохая конструкция и используемые материалы могут служить причиной закорачивания батарей. Особенно это относится к дешевым галогеновым фонарям на элементах CR123.
Старайтесь использовать водонепроницаемый фонарь – это также предотвратит нештатные ситуации при использовании литиевых батарей. - Старайтесь использовать алюминиевый фонарь, нежели пластиковый.
Пластиковый фонарь может разлететься в непредсказуемых направлениях.
У алюминиевых фонарей “вышибает” стекло и торцевую кнопку (если такая есть). Так что, при взрыве в руке в большинстве описанных случаев (3 случая) обошлось без травм.
Одновременно, пластиковый корпус менее стоек к разогреву батарей и может обеспечить меньше защиты батареям от внешнего тепла.
Старайтесь ставить вместе батареи из одной партии.
А остальные миллиарды случаев успешного использования литиевых батарей без каких-либо эксцессов подтверждают: за этими элементами ближайшее будущее. И если век топливных или био-элементов еще не наступил, то для лития – самое время.
В реальности же с безопасностью дело обычно обстоит так:
Ссылки по теме:
Статья про элементы питания на HPC.RU
Лабораторные опыты по Химии, видео: реакция лития с водой (опыт 12)
Реакция лития с водой, видео (другой опыт)
Статья на сайте FlashLightReviews про батарейки вообще(англ.
)
Статья на сайте FlashLightReviews про батарейки подробнее(англ.)
Статья на сайте FlashLightReviews про взрывы батарей (англ.)
Сравнение разных типов и марок батарей (с графиками)
Взаимодействие щелочных металлов с водой (передача “Мозголомы”), видео
Первый и наиболее очевидный параметр – это ёмкость (измеряется в Ампер/часах) то есть за сколько часов аккумулятор может быть разряжен при номинальном токе 1 ампер полностью (сейчас мы говорим, я напомню, об аккумуляторах для носимых радиостанций, а их отличие от автомобильных или стационарных более чем существенно не только по размерам и назначению, но и по сути характеристик ) NiMH аккумуляторы были разработаны фирмой Sanyo Electric в 1990 г С тех пор они заметно потеснили широко известные NiCd аккумуляторы. Главное их преимущество оказалось в более высокой плотности энергии на единицу объема, выражаемую в размерности ватт час на литр (Вт.ч/л). Другое преимущество металлгидридного аккумулятора заключается в его “удельной” стоимости. Сравним теперь электрические характеристики различных аккумуляторов. Номинальное напряжение никель-кадмиевых и металлгидридных аккумуляторов одинаково и составляет примерно 1,25 В. Оно практически постоянно в течение всего цикла разрядки, снижаясь резко только в конце этого цикла. У литий-ионного аккумулятора номинальное напряжение составляет 3,6 В. В процессе цикла разрядки оно линейно уменьшается. Ниже определенного напряжения литий-ионный аккумулятор разряжать нежелательноВнутреннее сопротивление NiCd и NiMH элементов очень низкое (менее 0,1 Ом для элементов типоразмера АА), поэтому они позволяют получить значительный разрядный ток. Саморазряд запасенной энергии у никель-кадмиевого и металлгидридного аккумуляторов относительно высокий – в течение месяца хранения он достигает около 25%. Здесь литий-ионный аккумулятор, можно сказать, вне конкуренции. Этот параметр у него не превышает 1 % за тот же период.
Подведём итоги:
Минусы Ni-Cd Никель-кадмиевых аккумуляторов
Плюсы Ni-MH Никель-металлогидридных аккумуляторов
Минусы Ni-MH Никель-металлогидридных аккумуляторов
Плюсы Li-Ion Литий-ионных аккумуляторов
Минусы Li-Ion Литий-ионных аккумуляторов
|
Это LiOn (Литий-ионные) и NiMH (Никельметаллгидридные, ранее Никель-кадмиевые)
Последние появились относительно недавно, но уверенно заявляют о своих правах. Их использование с каждым годом растет- Так, например, в 1994 г. таких аккумуляторов различного назначения изготовили и реализовали порядка 12,3 млн. штук, а уже в следующем – производство достигло 32 млн. Справедливости ради следует отметить, что в то же время NiMH аккумуляторов во всем мире было изготовлено более 300 млн.
В пересчете на единицу электрической емкости источника тока эти аккумуляторы вдвое дешевле по сравнению с литий-ионными, но, правда, во столько же дороже NiCd. Впрочем, последнее не является принципиальным недостаткам металлгидридных аккумуляторов – их никель-кадмиевые конкуренты окончательно проиграли борьбу по другим позициям – массо-габаритным параметрам и высокой токсичности кадмия при утилизации.
У Li-Ion элементов внутреннее сопротивление на порядок больше. 
Вот почему некоторые изготовители даже устанавливают на свои аккумуляторы индикаторы разрядки чтобы была возможность визуально оценить его текущее состояние.
Из этого следует сделать вывод, что необходимо устройство, которое бы контролировало глубину разрядки. За нижнюю границу принимают уровень 1,05..,1,1 В на элемент, при этом “эффектом памяти” можно пренебречь. Такие устройства повсеместно применяются в мобильных и переносных телефонах, поэтому даже если в них и проявляется этот эффект, то он минимизирован – энергоемкость никогда на снижается более чем на 10 %. Если “эффект памяти” в какой-то период эксплуатации все же проявился. то его устраняют несколькими циклами тренировки (зарядка-разрядка). После чего аккумуляторы вполне пригодны для дальнейшей работы в составе любых потребителей.
Недостаток – длительность процесса зарядки.
По словам официальных лиц, недавние пожары в Медфорде, штат Нью-Бедфорд, вызваны литий-ионными батареями
Автор Кейт Арманини, корреспондент Globe, обновлено 4 мая 2023 г.
Поделиться в FacebookПоделиться в Twitter Бригады поместили литий-ионные батареи в безопасные контейнеры после пожара в квартире в среду в Нью-Бедфорде, сообщили официальные лица. Пожарная служба Нью-БедфордаДва недавних пожара в Медфорде и Нью-Бедфорде, в результате которых 10 человек покинули свои дома, были вызваны литий-ионными батареями. , — заявили чиновники.
900:02 В Медфорде два мотороллера, работающие от аккумуляторов, вызвали пожар в воскресенье, в результате чего четверо жителей были вынуждены покинуть свои дома, сообщили представители пожарной охраны штата.По словам официальных лиц, около 17:00 бригады прибыли в дом на две семьи на Оллстон-стрит и обнаружили сильное пламя.
Пожар длился более двух часов и нанес значительный структурный ущерб, заявили официальные лица.
Следователи установили, что пламя быстро распространилось от скутеров в прачечной на первом этаже.
«Этот пожар вспыхнул в плотно застроенном жилом районе, и я хочу поблагодарить пожарных Медфорда и всех наших партнеров по взаимопомощи, которые так усердно работали, чтобы сдержать его», — сказал в своем заявлении начальник пожарной охраны Медфорда Джон Э. Фридман. «Литий-ионные батареи содержат огромное количество энергии в небольшом корпусе. Когда они горят, они горят очень сильно, выделяют токсичные газы и могут снова воспламениться даже после того, как пожар был потушен. Крайне важно безопасно использовать, хранить и заряжать их в соответствии с инструкциями производителя».
В Нью-Бедфорде зарядка литий-ионных аккумуляторов вызвала пожар, охвативший квартиру в среду, в результате чего шесть жителей покинули свои дома, сообщили официальные лица.
Реклама
Около 11:38 бригады отреагировали на сообщение о задымлении в деревянном доме на бульваре Хэтэуэй, сообщили представители пожарной охраны.
По словам чиновников, пожарные потушили возгорание в подвале здания. Никто не пострадал, а Красный Крест помогает жителям, которые были перемещены.
«После начала капитального ремонта бригады определили, что они потушили возгорание литий-ионных аккумуляторов», — заявили официальные лица.
Батареи были доставлены на завод по переработке в безопасных контейнерах, сообщили чиновники.
Количество пожаров, вызванных литий-ионными батареями в Массачусетсе, в последние годы увеличилось. В прошлом году произошло 13 возгораний литий-ионных аккумуляторов по сравнению с девятью в 2018 году. По словам официальных лиц, они также могут снова загореться, что затрудняет тушение пожаров. Они используются во многих мобильных устройствах, включая сотовые телефоны, беспроводные наушники, электромобили и электронные скутеры.
«Литий-ионные батареи используются все чаще, и они питают все, от карманных устройств до автомобилей», — говорится в заявлении начальника пожарной охраны штата Питера Дж.
Остроски. «Выбирайте элементы, которые перечислены признанной на национальном уровне испытательной лабораторией, такой как Underwriters Laboratories (UL) или Intertek (ETL). Знак лаборатории — это знак того, что устройство прошло испытания на соответствие определенным требованиям безопасности».
С Кейт Арманини можно связаться по адресу [email protected]. Подпишитесь на нее в Твиттере @KateArmanini.
Наступила эра кремния… для аккумуляторов
С момента коммерческого дебюта литий-ионных аккумуляторов три десятилетия назад эта портативная и высокоплотная (и удостоенная Нобелевской премии) технология накопления энергии произвела революцию в области бытовой электроники, электротехники транспортных средств и крупномасштабных накопителей энергии. И все же даже несмотря на огромные достижения технологии — например, ошеломляющее тридцатикратное падение цены в период с 1991 по 2018 год — самые большие улучшения произошли в основном на стороне катода из оксида лития.
Графитовые аноды литий-ионных аккумуляторов, напротив, в основном остались прежними.
Кремний уже давно перспективен в качестве среды для анодов, потому что он может удерживать в 10 раз больше ионов лития по весу, чем графит. Фактически, первое задокументированное использование кремния в качестве анода литиевой батареи даже предшествовало использованию графита — на семь лет. Но эксперименты с этим элементом столкнулись с техническими трудностями, включая увеличение объема анода при загрузке ионами лития и возникающее в результате разрушение материала, которое может произойти, когда анод расширяется и сжимается.
Однако теперь, после примерно 15 лет постепенных улучшений и обманутых надежд, время кремния в качестве основного материала в батареях наконец настало.
«Кремний изменил то, как мы храним информацию, и теперь он меняет то, как мы храним энергию».
– Рик Константино, Group14
Некоторые автопроизводители и стартапы по производству кремниевых анодов объединились для производства недорогих электромобилей с увеличенным запасом хода, которые могут появиться на дорогах к середине десятилетия.
General Motors и OneD Battery Sciences в Пало-Альто, Калифорния, внедряют кремниевые нанотехнологии OneD в аккумуляторные элементы GM Ultium. Кремниевый анод компании Sila Nanotechnologies из Аламеды, штат Калифорния, который питает фитнес-трекер Whoop с 2021 года, к 2026 году будет установлен на внедорожнике Mercedes G-класса. Porsche EV к следующему году.
В конце 2022 года Group14, Sila и Amprius Technologies во Фремонте, штат Калифорния, привлекли почти полмиллиарда долларов для коммерциализации своих анодных материалов, из них 250 миллионов долларов США от Министерства энергетики США и Group14 еще 214 миллионов долларов. в частных инвестициях. Все трое планируют запустить отечественные заводы мощностью гигаватт в ближайшие несколько лет. Group14 начала строительство электростанции мощностью 20 гигаватт в Мозес-Лейк, штат Вашингтон, в апреле.
«Кремний изменил то, как мы храним информацию, и теперь он меняет то, как мы храним энергию», — говорит технический директор Group14 Рик Костантино.
Silicon обещает более дальнобойные, быстро заряжающиеся и более доступные электромобили, чем те, чьи аккумуляторы оснащены современными графитовыми анодами. Он не только поглощает больше ионов лития, но и быстрее перемещает их через мембрану батареи. И как самый распространенный металл в земной коре, он должен быть дешевле и менее подвержен проблемам с цепочкой поставок. В настоящее время почти весь материал графитовых анодов перерабатывается в Китае.
Сообщается, что Tesla добавила до 5 процентов кремния в аноды своих аккумуляторов. Но стартапы по производству кремниевых анодов хотят пойти гораздо дальше.
Когда исследователи впервые начали исследовать кремний для анодов литиевых аккумуляторов — как отмечалось выше, в 1976 году, до того, как графит стал компромиссным решением, — сильное набухание и сжатие кремния во время зарядки и разрядки быстро разрушало анод. А побочные реакции усложняли процесс при зарядке и сокращали срок службы батареи.
Некоторые производители коммерческих аккумуляторов, в том числе Tesla, увеличили способность удерживать литий в анодах своих аккумуляторов, добавив небольшое количество (обычно до 5 процентов) кремния.
Но стартапы по производству кремниевых анодов хотят пойти гораздо дальше.
Большинство из них рассматривают нанотехнологический кремний как обходной путь к проблемам вздутия и побочных реакций. Профессор материаловедения из Стэнфорда Йи Цуй и его лаборатория положили начало этой области исследований, опубликовав в 2008 году статью Nature Nanotechnology о кремниевых нанопроволоках, устойчивых к набуханию. Другие вскоре придали этому другой вид: сферические кремниевые наночастицы, частицы типа ядро-оболочка, состоящие из кремниевых ядер с защитным покрытием вокруг них, и кремниевые частицы с вытравленными поверхностями.
В 2008 году Цуй стал одним из основателей компании Amprius для коммерциализации технологии анодов из кремниевых нанопроволок. Компания усовершенствовала процесс выращивания нанопроводов непосредственно из металлической подложки токосъемника. Нанопроволоки не набухают так сильно, как сферические наночастицы. Выбор компанией чистого кремния является причиной высокой плотности энергии батареи, говорит Ионел Стефан, главный технический директор.
Тонкие пористые материалы также позволяют довести разряженную батарею до 90-процентного уровня заряда за 10 минут.
В марте компания Amprius сообщила о кремниевой анодной батарее с рекордно высокой сертифицированной плотностью энергии 500 ватт-часов на килограмм, что примерно вдвое больше, чем у современных аккумуляторов для электромобилей. Airbus и BAE Systems уже используют батареи компании в самолетах. Наращивая производство на заводе мощностью 5 ГВт в Боулдере, штат Колорадо, который откроется в 2025 году, Amprius надеется достаточно снизить затраты на коммерческие летные приложения, такие как дроны и аэротакси.
Джин Бердичевский, соучредитель и генеральный директор Sila Nanotechnologies, держит банку с новейшими нанокомпозитными кремниевыми анодными материалами для литий-ионных аккумуляторов, которые уже используются в фитнес-трекере Whoop Sila Nanotechnologies
Недостатком анодной технологии Amprius является то, что «она дорога, и для ее производства требуются патентованные аноды, несовместимые с существующими крупными заводами по производству элементов для электромобилей», — говорит Винсент Плувинидж, генеральный директор и соучредитель OneD Battery Sciences.
Вот почему Amprius на данный момент нацелен на нишевые приложения, такие как городской воздушный транспорт.
Pluvinage говорит, что OneD вместо этого сосредоточена на выпуске доступных электромобилей на рынке к 2026 году. OneD также использует кремниевые нанопроволоки, но компания внедряет нанопроволоки во внутренние поры и поверхности графитовых частиц. Добавление обработки кремния стоит менее 2 долларов за киловатт-час и позволяет производить батареи с плотностью энергии 350 ватт-часов на килограмм и 80-процентной зарядкой менее чем за 10 минут. «Хотя кремний считается высокотехнологичным и дорогим материалом, OneD нашла решение, позволяющее преодолеть этот ценовой барьер и эффективно добавить нужное количество кремния в аккумуляторы электромобилей», — говорит Плювинейдж.
Group14 и Sila снижают затраты, разрабатывая кремниевые материалы, которые выглядят и ведут себя так же, как черный графитовый порошок, используемый для изготовления современных анодов. Это, по их словам, позволит заменить существующие аккумуляторные батареи.
«Вам не нужно менять способ производства аккумуляторов… кремниевые аноды можно производить на тех же заводах», — говорит Глеб Юшин, технический директор Sila. Юшин, профессор материаловедения в Технологическом институте Джорджии, основал Sila в 2011 году вместе с бывшим инженером Tesla Джином Бердичевским.
Кремниевый порошок Sila состоит из микрометровых частиц наноструктурированного кремния и других материалов, окруженных пористым каркасом из другого материала. Этот материал позволяет использовать батареи с плотностью энергии на 20 процентов выше (что означает увеличение запаса хода примерно на 160 километров для электромобиля), чем у батарей с графитовыми анодами. Компания говорит, что планирует удвоить это в будущем.
«На уровне материалов он должен быть дешевле графита».
— Глеб Юшин, Sila Nanotechnologies
Композит Sila борется с обеими ключевыми проблемами кремния, а именно набуханием и реакциями с электролитом. Пространства в наноструктурированном пористом материале позволяют кремнию расширяться без повреждений; и леса пропускают ионы лития, предотвращая реакции с электролитом, объясняет Юшин.
В настоящее время Sila производит анодный материал на экспериментальном предприятии в Калифорнии и планирует построить завод мощностью 20 ГВт в штате Вашингтон. По словам компании, на этом предприятии будет производиться достаточно анодного материала для питания 1 миллиона электромобилей в течение следующих пяти лет. «Мы основали компанию, чтобы совершить революцию в области электромобилей, — говорит Юшин. «Когда вы увеличиваете масштаб, стоимость всегда существенно снижается. На уровне материала он в конечном итоге должен быть дешевле графита».
Group14 использует свой опыт в производстве пористых углеродных материалов для аккумуляторов и суперконденсаторов. Компания создает пористые углеродные частицы микрометрового размера за одну стадию и одну реакцию, используя запатентованный процесс, а затем использует химическое осаждение из паровой фазы, чтобы получить кремний внутри пор. Кремний, который образуется внутри, является аморфным, а не кристаллическим, в отличие от того, что используется конкурентами, говорит технический директор Костантино.
«Аморфный кремний — идеальная форма для хранения энергии. Это наиболее стабильная форма с высокой емкостью и большим сроком службы».
По словам Костантино, завод компании мощностью 10 ГВт в Южной Корее, построенный в сотрудничестве с SK Materials, ведущим производителем материалов для электроники и дисплеев, должен быть введен в эксплуатацию в ближайшие месяцы. Фабрика фирмы мощностью 20 ГВт будет запущена в следующем году. В отличие от Sila, Group14 рассматривает транспортные приложения, выходящие за рамки электромобилей, включая аэротакси и электронные VTOL.
Наноструктурированный кремний может быть не единственным способом добавления кремния в аноды. Компания Enevate в Ирвине, штат Калифорния, применила совершенно другой подход. Вместо инженерных наночастиц кремния и нанопроводов компания наносит пленки пористого кремния толщиной в десятки микрометров непосредственно на медную фольгу. Его кремниевые анодные батареи теперь используются в новых электрических велосипедах Lightning Motorcycles из Калифорнии, обеспечивая запас хода электромобиля примерно на 220 километров всего за 10 минут зарядки.
Между тем, NanoGraf выбрала другой способ увеличить количество кремния в графитовых анодах. Чикагский стартап производит материал из оксида кремния, который предварительно набухает, чтобы сделать его более стабильным. Его аноды повышают плотность энергии батарей на 10 процентов, и в настоящее время компания производит более легкие аккумуляторные блоки, которые солдаты могут носить с собой для питания своих устройств связи, очков и другого оборудования.
Поскольку все эти компании соперничают за увеличение производства и снижение себестоимости, им также придется столкнуться с конкуренцией со стороны разработчиков других химических элементов аккумуляторов, стремящихся улучшить литий-ионные аккумуляторы. Литий-металл, литий-воздух и литий-сера — вот лишь некоторые из них. В Стэнфорде Цуй активно работает над литий-металлическими батареями, в которых в качестве анода используется чистый литий. «Я называю это Святым Граалем для батарей», — говорит он. Его группа и другие, такие как консорциум Battery500 США — группа из четырех национальных лабораторий и пяти университетов — добились огромного прогресса в области литий-металлических анодов, но они по-прежнему сопряжены с риском для безопасности, поскольку батареи иногда загораются, говорит Цуй.
